First-ever complete measurement of a black-hole recoil achieved thanks to gravitational waves
Première mesure complète du recul d'un trou noir grâce aux ondes gravitationnelles
Par l'Institut galicien de physique des hautes énergies
Édité par Gaby Clark, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
Illustration de la fusion de deux trous noirs et des ondes gravitationnelles qu'ils génèrent. Crédit : Institut galicien de physique des hautes énergies
Une équipe de chercheurs dirigée par l'Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de l'Université de Saint-Jacques-de-Compostelle (Espagne) a mesuré pour la première fois la vitesse et la direction du recul d'un nouveau-né issu de la fusion de deux autres trous noirs. Ce résultat, publié aujourd'hui dans la revue Nature Astronomy, offre un nouvel éclairage sur certains des événements les plus extrêmes de l'univers.
Les ondes gravitationnelles (OG) sont des ondulations de l'espace-temps qui se propagent à la vitesse de la lumière depuis leur source, codant ainsi les informations les concernant. Elles offrent un canal d'information totalement inédit qui nous permet d'observer des phénomènes astrophysiques non lumineux, comme la fusion de trous noirs, et d'obtenir de nouvelles informations sur les processus lumineux, comme les supernovae ou les fusions d'étoiles à neutrons.
Einstein avait prédit l'existence des ondes gravitationnelles en 1916, mais leur faible intensité nécessite des détecteurs d'une sensibilité incroyable et des événements astrophysiques extrêmement violents, tels que la fusion de trous noirs, les supernovae ou le Big Bang lui-même.
C'est pourquoi il a fallu un siècle pour détecter les ondes gravitationnelles pour la première fois : les détecteurs Advanced LIGO, situés à Hanford (Washington) et Livingston (Louisiane), ont enregistré en septembre 2015 le signal GW150914, émis par la fusion de deux trous noirs d'environ 30 fois la masse du Soleil. Depuis, près de 300 événements de ce type ont été enregistrés, ce qui nous a permis d'explorer la population de trous noirs de notre univers et de tester la gravité dans son régime le plus violent.
Parmi les conséquences les plus spectaculaires de la fusion de trous noirs figure le recul d'un trou noir. Lorsque deux trous noirs fusionnent, le trou noir unique qui en résulte émet des ondes gravitationnelles inégales dans des directions différentes. Ce déséquilibre provoque un « coup de pied » au rémanent, parfois à des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres par seconde, suffisamment rapide pour s'échapper de sa galaxie hôte.
Aujourd'hui, une décennie après la première découverte des ondes gravitationnelles, une petite équipe de chercheurs de l'Université de Saint-Jacques-de-Compostelle, de l'Université d'État de Pennsylvanie et de l'Université chinoise de Hong Kong a mesuré pour la première fois la vitesse et la direction du trou noir en recul formé lors de l'événement GW190412 : une fusion de deux trous noirs de masses inégales observée en 2019 par les détecteurs Advanced LIGO et Virgo lors de leur troisième période d'observation.
Mesure du recul d'un trou noir
Les ondes gravitationnelles émises dans des directions différentes apparaissent très différentes, ce qui nous permet de comprendre où nous nous trouvons exactement autour de la source. Par conséquent, les signaux diffèrent considérablement selon la position de l'observateur par rapport au recul, ce qui nous permet de connaître sa direction par rapport à celle définie par la source et la Terre. De plus, la relativité générale nous indique la vitesse du recul à partir des mesures des masses et des spins de la source. Cela nous permet de caractériser complètement le recul.
Le professeur Juan Calderon-Bustillo, chercheur à l'IGFAE et auteur principal, explique cela par une analogie musicale : « Les fusions de trous noirs peuvent être interprétées comme une superposition de différents signaux, à l'image de la musique d'un orchestre composée de plusieurs instruments. Cependant, cet orchestre est particulier : des spectateurs situés à différents endroits autour de lui enregistreront différentes combinaisons d'instruments, ce qui leur permettra de comprendre précisément où ils se trouvent.»
L'équipe a conclu que le recul du reste de GW190412 dépassait 50 km/s – une vitesse suffisante pour expulser le trou noir d'un amas globulaire – et a déterminé sa direction de recul par rapport à la Terre, le moment angulaire orbital du système et la ligne de séparation du système binaire quelques secondes avant la fusion.
« Nous avons mis au point cette méthode en 2018. Nous avons démontré qu'elle permettrait de mesurer le mouvement de poussée avec nos détecteurs actuels, à une époque où les autres méthodes existantes nécessitaient des détecteurs comme LISA, ce qui n'était pas encore possible avant plus d'une décennie », explique Calderon-Bustillo.
« Malheureusement, à cette époque, Advanced LIGO et Virgo n'avaient pas encore détecté de signal musical provenant de divers instruments permettant de mesurer le mouvement de poussée. Cependant, nous étions certains qu'une telle détection serait bientôt possible. C'était extrêmement stimulant de détecter GW190412 un an plus tard seulement, de constater que le mouvement de poussée pouvait probablement être mesuré, et de le faire réellement. »
Le Dr Koustav Chandra, chercheur postdoctoral à Penn State, déclare : « C'est l'un des rares phénomènes en astrophysique où nous ne nous contentons pas de détecter quelque chose, mais où nous reconstruisons le mouvement 3D complet d'un objet situé à des milliards d'années-lumière, en utilisant uniquement les ondulations de l'espace-temps. C'est une démonstration remarquable du potentiel des ondes gravitationnelles. »
Et ensuite ? La mesure de la direction du recul des trous noirs peut ouvrir la voie à l'étude des fusions de trous noirs, à la fois par des signaux gravitationnels et électromagnétiques.
« Les fusions de trous noirs dans des environnements denses peuvent produire des signaux électromagnétiques détectables, appelés éruptions, lorsque le trou noir rémanent traverse un environnement dense, tel un noyau galactique actif (GNA), » explique Samson Leong, doctorant à l'Université chinoise de Hong Kong et co-auteur de l'article.
« Comme la visibilité de l'éruption dépend de l'orientation du recul par rapport à la Terre, la mesure des reculs nous permettra de distinguer une véritable paire de signaux GW-EM provenant d'un BBH d'une simple coïncidence fortuite. »
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RESJME
Première mesure complète du recul d'un trou noir grâce aux ondes gravitationnelles.
Une équipe de chercheurs dirigée par l'Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de l'Université de Saint-Jacques-de-Compostelle (Espagne) a mesuré pour la première fois la vitesse et la direction du recul d'un nouveau-né, né de la fusion de deux autres trous noirs. Ce résultat, publié aujourd'hui dans la revue Nature Astronomy, offre un nouvel éclairage sur certains des événements les plus extrêmes de l'univers.
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COMMENTAIRES
1D abord pour mes élèves
La masse d un trou noir massif peut etre gossierement évaluée par la perturbation de l orbite d un corps celeste visible qui s approche assez pres de lui ....M ai cela recqiert de la chance et un suivi précis de l orbite dans le temps
2/ Cet article nous réond a la question quelle est la première source d'ondes gravitationnelles issue de l'évolution isolée de deux trous noirs de 40 à 100 masses solaires ?
La fusion de deux trous noirs massifs (environ 30 masses solaires) a été détectée dans les ondes gravitationnelles. Et on sait en ''décrypter' les signaux .
Cette découverte valide les prédictions récentes selon lesquelles des trous noirs binaires massifs constitueraient la première détection.
XXXXXXXXXMore information: Nature Astronomy (2025). www.nature.com/articles/s41550-025-02632-5
Journal information: Nature Astronomy
Provided by Galician Institute of High Energy Physics
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