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Les trous noirs pourraient s’étendre avec l’univers

Un binaire de trou noir supermassif.

En 2015, deux trous noirs ont été pris en train de fusionner lorsque les ondulations dans l’espace-temps qu’ils ont créées ont été détectées sur Terre. Depuis lors, les détecteurs d’ondes gravitationnelles ont trouvé beaucoup plus de ces fusions, élargissant notre compréhension des collisions les plus épiques connues de la science. Maintenant, une équipe d’astrophysiciens examinant les données de ces détections propose que les trous noirs supermassifs se développent en fait aux côtés de l’univers lui-même.

L’univers s’étend à un rythme accéléré, mais ce n’est pas que tout s’agrandit tout simplement. Au contraire, d’énormes masses comme les galaxies s’éloignent de nous (et les unes des autres) à mesure que l’espace entre les deux s’étend. Nous ne faisons pas l’expérience de cette expansion localement, car la gravité maintient ensemble notre système solaire et d’autres collections de matière, mais nous pouvons voir l’expansion lorsque nous regardons dans l’espace et remarquons que des galaxies lointaines accélèrent loin de nous (la lumière que nous en voyons est « décalé vers le rouge », ce qui signifie que les longueurs d’onde ont été étirées par l’espace élargi). Personne ne sait exactement pourquoi l’univers s’étend de plus en plus vite, mais les astrophysiciens accusent une quelque chose appelé énergie noire.

Selon un nouveau document de recherche, cependant, l’expansion de l’univers pourrait en fait rendre certains objets plus gros. Les trous noirs supermassifs ont des masses suffisamment énormes et des durées de vie suffisamment longues pour être affectés par cette expansion, affirment les chercheurs, ce qui signifie que, contrairement à la Terre ou au Soleil ou à d’autres objets liés par la gravitation, les trous noirs se développent sensiblement aux côtés de l’univers. Le papier était publié la semaine dernière dans l’Astrophysical Journal Letters.

La détection de 2015 a été réalisée par la collaboration LIGO-Virgo, des expériences souterraines qui utilisent des faisceaux laser et des miroirs pour capter des ondulations dans l’espace-temps connues sous le nom d’ondes gravitationnelles. L’équipe derrière le nouveau document a examiné les trous noirs comme les deux objets qui ont provoqué le signal de 2015.

« Dans toute fusion individuelle, LIGO—Virgo voit quelque chose comme les 10 dernières secondes d’une bande-annonce passionnante pour une nouvelle série. Notre modèle proposé décrit l’ensemble de l’arc narratif de la série complète, plaçant les clips utilisés pour faire la bande-annonce dans leur contexte », a expliqué Duncan Farrah, astrophysicien à l’Université d’Hawai’i à Mānoa, dans un e-mail.

The team modeled the size of black holes in proportion to the universe’s expansion and found that the black holes would grow as they spiraled toward each other. (This expansion of the black holes would happen even to ones that weren’t spiraling toward one another—it’s just that those are the ones we can see through detections of their gravitational waves.) So too would the black holes at the centers of galaxies expand along with the universe.

Kevin Croker, also an astrophysicist at the University of Hawai’i at Mānoa and a co-author of the paper, told Gizmodo in an email that “We have proposed that the mass of any black hole is proportional to the size of the universe, raised to some exponent. This exponent gives the ‘strength’ of the coupling. In any expanding universe, all black hole masses will grow in this way. If the expansion of the universe is accelerating, the black hole masses will grow faster and faster. So it’s not the acceleration of the expansion that causes the growth, just the expansion itself.”

Typically, black holes are modeled in a universe that doesn’t expand—basically, it’s a momentary measurement that allows astrophysicists to calculate things like a black hole’s mass without having to worry about how the universe’s expansion changes things.

A spinning black hole in its accretion disk.

Black holes, which are the densest known objects in the universe and form when huge stars collapse in on themselves, can pull each other together in mergers that take place over very long timescales, sometimes billions of years. Because of how long these mergers take, it means that the size of the universe when the black holes formed was much smaller than the version that exists when the holes actually collide. According to Michael Zevin, an astrophysicist at the University of Chicago, a NASA Hubble Fellow, and a co-author of the paper, the masses involved in any merger would depend on their original sizes upon formation, the shape and size of their orbits, and of course, their age.

This is still very much a hypothesis, but cosmological coupling—meaning properties of a particle or object being linked to properties of the cosmos—does exist elsewhere. Photons, or particles of light, are cosmologically coupled, but in the reverse: While black holes gain energy as they grow, photons lose energy as the universe expands, because their wavelengths become stretched out over time.

What makes this all the more mind-blowing is that the coupling trait wouldn’t be exclusive to black holes and photons. Gregory Tarlé, an astrophysicist at the University of Michigan and a co-author of the paper, told Gizmodo in an email that the matter of more ordinary masses, like your own body or the core of the Sun, would couple very, very weakly with the rate of the universe’s expansion. “It would seem that the effect only becomes observable in the most extreme environments in our universe: black holes and, possibly, neutron stars,” Tarlé said.

For now, this is just an idea, but une fois qu’un nouveau détecteur d’ondes gravitationnelles sera construit, les personnes qui étudient ces ondulations seront en mesure de localiser leurs origines avec une plus grande spécificité et de mieux comprendre comment les collisions se sont déroulées. De nouveaux télescopes mis en ligne sous peu seront capables d’imager presque n’importe quel événement dans l’univers observable, donnant aux astronomes un meilleur aperçu de ces phénomènes et de leurs effets. Peut-être sommes-nous à la veille de quelque chose de nouveau.

Plus: Voir les champs magnétiques d’un trou noir dans une nouvelle image du télescope Event Horizon

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