Vue d'artiste illustrant la fusion de deux trous noirs massifs dans un amas autour d'une galaxie lointaine.© Ingrid Bourgault
D’énormes trous noirs qui ne sont pas supposés fusionner ont…fusionné ! Formant ainsi un monstre de 142 fois la masse du soleil. Une observation totalement inattendue qui remet en question les modèles de formation des trous noirs. Plusieurs chercheurs de l’UCLouvain ont contribué à cette découverte qui suggère l'existence de trous noirs primordiaux, formés une milli-seconde après le Big-Bang.
La fusion de deux ogres de 85 et 66 fois la masse du soleil pour une taille comparable à celle de la Wallonie a formé un nouveau monstre de 142 masses solaires. Les ondes gravitationnelles émises pendant le dernier dixième de seconde de leur spirale infernale ont été détectées le 21 mai 2019 par les détecteurs LIGO, aux Etats-Unis, et Virgo, en Italie. C'est la première fois que la fusion de trous noirs si massifs est observée. Leur existence était jusque -là insoupçonnée, car les modèles théoriques excluent la formation de trous noirs de masse comprise entre 65 et 120 masses solaires lorsque les étoiles les plus massives explosent en supernovae, à la fin de leur vie. Ils pourraient toutefois provenir de fusions précédentes. Mais dans ce cas, pour avoir une chance de se croiser, ils devraient habiter un environnement très dense en trous noirs comme des amas de trous noirs et/ou d'étoiles. Une alternative exotique: ces trous noirs pourraient provenir d'un amas de trous noirs primordiaux. Plutôt que de l'explosion d'étoiles en fin de vie, ces trous noirs hypothétiques auraient pu se former une fraction de milli-seconde après le Big-Bang, à partir d'inhomogénéités dans le plasma de l'Univers primordial. Ils pourraient expliquer certaines caractéristiques des fusions de trous noirs observées jusqu'à présent. Une idée proposée en 1971 par Stephen Hawking qui revient aujourd'hui au premier plan de l'actualité scientifique!
L’étude est publiée dans la revue Physical Review Letters. En Belgique, des groupes de sept universités (UCLouvain, ULiège, ULB, VUB, UGent, KULeuven, UAntwerpen) font partie de la collaboration LIGO/Virgo. Parmi les activités de nos chercheurs, on retrouve justement ces trous noirs primordiaux et leur contribution possible à la matière noire, un autre grand mystère de l'Univers. Les futures observations de LIGO/Virgo devraient permettre de distinguer les différents modèles de formation des trous noirs. Les chercheurs belges de LIGO/Virgo sont également impliqués dans le domaine de la cosmologie gravitationnelle (cordes cosmiques, expansion de l'Univers, matière noire), l'analyse des données, notamment grâce à l'intelligence artificielle, et certains aspects de l'instrumentation (contrôles des bruits, lasers...).
Dans un futur plus lointain, le Télescope Einstein, projet de détecteur d'ondes gravitationnelles sous-terrain de troisième génération, détectera des centaines de milliers de fusions de trous noirs par an. Sa construction est envisagée fin de la décennie et l'un des sites possibles se trouve à la frontière entre l'Allemagne, les Pays-Bas et... la Belgique!
L’UCLouvain et Virgo
Plusieurs chercheurs de l’institut IRMP de l’UCLouvain sont impliqués dans les recherches sur les ondes gravitationnelles, en tant que membres de la Collaboration Virgo.
Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace et du temps qui se propagent à la vitesse de la lumière. Virgo est un interféromètre laser géant capable de détecter des variations de 10-18 m dans les 3 km de longueur de ses bras ; ceci est l’effet observable sur terre, c.a.d. à 17 milliards d’années-lumière de distance, des ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux trous qui font l’objet de la découverte annoncée ce 2 septembre par les collaborations LIGO et Virgo.
Les activités du groupe de l’UCLouvain dans Virgo incluent l’analyse de données, y compris dans l’interprétation des observations dans le contexte des trous noirs primordiaux, ainsi que le développement de l’infrastructure de calcul numérique et de l’instrumentation.
Giacomo Bruno est professeur à l’UCLouvain depuis 2004. Après ses études en physique en Italie et avoir travaillé plusieurs années au laboratoire international CERN, il a contribué avec de nombreux collègues de l’institut IRMP de l’UCLouvain à la construction et à l’analyse de données de l’expérience CMS du CERN, qui a notamment découvert le boson de Higgs en 2012. Giacomo Bruno est aujourd’hui le porte-parole du groupe belge de la Collaboration Virgo; ce groupe compte aujourd’hui une vingtaine de chercheurs de la KU Leuven, UAntwerp, UCLouvain, UGent, ULiège et VUB.
Sébastien Clesse est chargé de recherche FNRS à l’UCLouvain et à l’UNamur. Ses intérêts de recherche dans le domaine des ondes gravitationnelles se focalisent sur les trous noirs primordiaux, leur contribution possible à la matière noire, et leurs signatures dans les observations. Il vient d’être nommé chargé de cours à l’ULB, qui s’ajoutera donc à la liste des universités belges impliquées dans la Collaboration Virgo.
Les membres UCLouvain de la collaboration Virgo:
- Giacomo Bruno
- Sébastien Clesse
- Federico De Lillo
- Antoine Depasse
- Andrew Miller
- Krzysztof Piotrzkowski
- Christophe Ringeval
- Andres Jorge Tanasijczuk
- Joris van Heijningen
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Coup d’œil sur la bio de Sébastien Clesse
« Adolescent, j’hésitais entre histoire, math, physique et informatique… » L’intrus ? Il n’y en a pas aux yeux de Sébastien Clesse. « La seule manière d’allier les quatre, c’était la physique et plus particulièrement la cosmologie. On y retrouve forcément les mathématiques et l’informatique et même l’histoire, la plus longue qui soit… celle de l’univers ! » La physique, donc, à l’Université de Namur où il obtient sa licence en 2006. Sébastien Clesse entame ensuite un doctorat conjoint à l’ULB et l’UCLouvain (sous la direction de Michel Tytgat et Christophe Ringeval) et soutient sa thèse en 2011. Commence alors un long périple de chercheur post doc à Cambridge, à Munich, à Namur grâce à un mandat de retour BESPO et à Aix-la-Chapelle. Avant de revenir à l'UCLouvain et à l'UNamur en 2017, comme chargé de recherches FNRS au sein du nouveau groupe de recherche Cosmologie, Univers et Relativité .
« En cosmologie, on étudie l’ultime ; il n’y a plus d’autres sciences qui vont expliquer notre objet de recherche par d’autres moyens. La cosmologie, tout comme la physique des particules, se trouvent tout au bout de la chaîne des sciences, et en première ligne pour comprendre le monde. »