Deux trous noirs fusionnent

Comment deux trous noirs se rapprochent en spirale, secouent l'espace lui-même et ont été entendus sur Terre 1,3 milliard d'années plus tard

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Étape par étape

Un couple de trous noirs

Chacun est ce qui reste d'une étoile massive. L'horizon du plus gros mesure environ 210 km de diamètre, celui du plus petit environ 170 km, pas plus qu'une ville ; pourtant, autour de chacun, la lumière des étoiles de l'arrière-plan se courbe en arcs et en anneaux. On débat encore de la façon dont deux tels trous en viennent à tourner ensemble : ils sont peut-être nés d'un couple d'étoiles géantes, ou se sont rencontrés dans un amas d'étoiles très dense.

Rien ne les pousse de l'extérieur. Leur orbite perd de l'énergie dans les ondulations qu'elle crée dans l'espace lui-même, si bien qu'elle rétrécit, lentement d'abord, puis de plus en plus vite. À cette distance, il leur reste environ cinquante minutes.

Des ondes dans l'espace

En tournant, ils secouent l'espace lui-même. Des ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière, étirant l'espace dans un sens et le comprimant dans l'autre, deux fois par tour.

La théorie de la relativité générale d'Albert Einstein a prédit ces ondes en 1916. Toute masse dont le mouvement change en émet, mais seules des masses énormes se déplaçant très vite produisent des ondes assez fortes pour compter. Elles sont dessinées ici sur le plan de l'orbite, en or là où l'espace est étiré et en bleu là où il est comprimé ; chaque partie montre ce que faisait le couple quand cette partie de l'onde est partie.

Les ondes emportent de l'énergie, prise à l'orbite. Pourtant, même à un million de kilomètres, elles n'étirent l'espace que d'environ une partie par million. Ces ondes lentes, qui montent et descendent environ une fois par seconde, sont trop lentes pour qu'un détecteur sur Terre les perçoive.

De plus en plus vite

Temps accéléré : en rétrécissant, l'orbite accélère et les ondes se renforcent. Au cours de leurs cinquante dernières minutes, les trous passent de 10 000 km d'écart à environ 900, tournant 17 fois par seconde.

Plus les trous sont proches, plus ils vont vite et plus les ondes qu'ils émettent sont fortes, si bien que l'orbite perd son énergie encore plus vite. La spirale s'emballe : l'essentiel de ces cinquante minutes se passe en tours larges et lents, et les mille derniers kilomètres durent moins d'un tiers de seconde.

La fréquence des ondes vaut deux fois le nombre de tours par seconde de l'orbite. Quand elle dépasse environ 30 cycles par seconde, assez pour les détecteurs de LIGO, les trous se déplacent l'un par rapport à l'autre à un tiers de la vitesse de la lumière.

Le dernier cinquième de seconde

Ralenti environ soixante-dix fois : pendant leur dernier cinquième de seconde, les trous font encore cinq tours et se rapprochent jusqu'à environ 320 km, à plus de la moitié de la vitesse de la lumière.

C'est la partie des ondes qu'a entendue LIGO : une dizaine de cycles en un cinquième de seconde, leur fréquence montant d'environ 35 à 150 cycles par seconde et leur intensité croissant sans cesse. Transformée en son, elle monte comme le gazouillis d'un oiseau, d'où le nom que lui donnent les scientifiques : un « chirp ».

Si proches, les trous courbent l'espace si fort que les formules simples de la spirale ne tiennent plus. Seuls des superordinateurs résolvant les équations d'Einstein peuvent les suivre jusqu'au bout. Les scientifiques ont trouvé les masses, 36 et 29 soleils, en comparant ce qu'a mesuré LIGO à des milliers de ces simulations.

Deux ne font plus qu'un

Les horizons se touchent et fusionnent. L'équivalent de trois soleils de masse s'est désormais changé en ondes gravitationnelles, surtout pendant le dernier cinquième de seconde ; à leur maximum, elles transportent plus de puissance que toutes les étoiles de l'univers observable.

Au maximum, les ondes emportent environ 3,6 × 10⁴⁹ watts, une cinquantaine de fois la lumière de toutes les étoiles de l'univers observable réunies, mais seulement pendant quelques millièmes de seconde. Au total, 36 et 29 soleils ont donné un trou de 62 : les trois manquants sont partis en ondes.

La fusion elle-même est dessinée ici simplement. Les simulations sur superordinateur montrent ce qui se passe vraiment : les deux horizons se joignent en un seul, déformé, qui reprend vite sa forme. Pendant tout ce temps, rien d'autre que les ondes ne s'échappe : deux trous noirs qui fusionnent dans l'espace vide n'émettent aucune lumière.

Un trou noir

Il reste un seul trou noir de 62 soleils, dont l'horizon tourne environ 100 fois par seconde. Il a résonné comme une cloche frappée, à environ 250 cycles par seconde, puis s'est tu presque aussitôt.

Cette résonance, c'est le nouvel horizon qui prend sa forme. Sa fréquence et la vitesse à laquelle elle s'éteint ne dépendent que de la masse et de la rotation du trou, comme le prédit la relativité générale, et ce qu'a entendu LIGO concorde.

Stephen Hawking a montré en 1971 que l'aire totale des horizons des trous noirs ne peut jamais diminuer. Ici, les deux horizons totalisaient environ 230 000 km² ; le nouveau en a environ 370 000 km², davantage, bien que trois soleils de masse aient été perdus. En 2025, une fusion plus nette, GW250114, l'a confirmé plus clairement que jamais.

Vers l'univers

Les ondes s'éloignent à la vitesse de la lumière, en s'affaiblissant à mesure qu'elles s'étendent. En un peu plus d'une seconde, elles ont parcouru la distance de la Terre à la Lune ; en huit minutes, celle de la Terre au Soleil.

Leur intensité baisse en proportion de la distance : dix fois plus loin, dix fois plus faibles. Contrairement à la lumière, elles traversent étoiles, gaz et poussière comme s'il n'y avait rien, et arrivent donc telles qu'elles sont parties, seulement plus faibles.

Elles ont voyagé pendant 1,3 milliard d'années. À leur départ, la vie sur Terre était encore surtout faite d'êtres unicellulaires. En chemin, l'univers s'est agrandi et les a étirées avec lui : elles sont arrivées 9 % plus longues et plus graves qu'au départ, ce dont les scientifiques tiennent compte pour calculer les masses.

LIGO l'entend

Le 14 septembre 2015 à 09:50:45 UTC, les ondes ont balayé la Terre depuis le ciel austral. Le détecteur de LIGO à Livingston, en Louisiane, les a perçues le premier ; celui de Hanford, dans l'État de Washington, à 3 000 km, 7 millièmes de seconde plus tard.

Chaque détecteur de LIGO est un L formé de deux bras de 4 km, parcourus dans les deux sens par de la lumière laser. Une onde qui passe étire un bras tout en comprimant l'autre ; au maximum, ces bras ont changé de longueur d'environ un millième de la largeur d'un proton, et LIGO l'a mesuré.

Comme les ondes vont à la vitesse de la lumière, les 7 ms entre les détecteurs ont placé la source sur un anneau du ciel austral ; deux détecteurs ne pouvaient pas en dire plus. Il faisait nuit en Amérique : 4 h 50 du matin en Louisiane. Ici, le temps passe environ soixante fois plus lentement.

Des centaines d'autres

C'était la première fois qu'on détectait des ondes gravitationnelles, un siècle après qu'Einstein les eut prédites. En 2025, les détecteurs avaient entendu environ 300 fusions de trous noirs, une tous les quelques jours.

La découverte a valu à Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne le prix Nobel de physique 2017. LIGO écoute désormais avec Virgo, en Italie, et KAGRA, au Japon : avec trois détecteurs ou plus, on situe une source dans le ciel bien plus précisément.

Le couple le plus lourd entendu jusqu'ici, GW231123, a formé un trou noir d'environ 225 soleils. En 2017, on a entendu deux étoiles à neutrons entrer en collision, puis des télescopes ont capté la lumière de l'explosion, où se forgent des éléments lourds comme l'or.