Des chercheurs étudient les trous noirs en mouvement rapide pour mieux comprendre la formation des binaires des trous noirs

Ph.D. UMass Dartmouth. les étudiants Tousif Islam (auteur principal) et Feroz H. Shaik, aux côtés du professeur adjoint Vijay Varma et du professeur agrégé Scott Field (mathématiques), ont récemment publié leurs résultats sur le serveur de pré-impression arXivqui incluent l’identification d’un système de trous noirs binaires qui s’est très probablement formé par capture dynamique et dont la collision a produit le deuxième trou noir le plus rapide observé (noté GW191109 par les astronomes).

“L’un des principaux objectifs de l’astronomie des ondes gravitationnelles est de comprendre comment les trous noirs et leurs binaires se forment dans la nature”, a déclaré Varma.

“Les trous noirs se déplaçant rapidement peuvent être éjectés de leurs galaxies hôtes, les rendant incapables de fusionner avec d’autres trous noirs pour former une singularité gravitationnelle encore plus lourde, comme les mastodontes qui ont produit le signal d’onde gravitationnelle GW190521. Les observations de trous noirs se déplaçant rapidement peuvent nous fournir des informations vitales sur la fréquence à laquelle la nature permet à de lourds trous noirs de se former par le biais de fusions répétées. »

L’analyse de l’équipe aurait pris 65 ans sur un ordinateur portable personnel, mais en utilisant des superordinateurs hautes performances, l’analyse a été réalisée en une semaine environ. Les supercalculateurs ont été mis à disposition via le Center for Scientific Computing and Data Science Research (CSCDR), le Massachusetts Green High Performance Computing Center et Anvil (maintenu par l’Université Purdue et mis à disposition via ACCESS), permettant au groupe de réanalyser les ensembles de données d’ondes gravitationnelles. produit par la collaboration LIGO-Virgo-Kagra.

Le projet comprenait des collaborateurs d’Australie, de Nouvelle-Zélande, du Rochester Institute of Technology et de l’Université du Nevada à Las Vegas, dont beaucoup ont participé à une étude dérivée après avoir découvert la première preuve d’un trou noir se déplaçant rapidement en janvier 2022. À la date de publication de cet article, ce sont les deux seuls trous noirs à déplacement rapide qui ont été observés, le second étant identifié pour la première fois dans la présente étude.

“Ce trou noir se déplace à environ un tiers de la vitesse du premier que nous avons observé, soit seulement environ 1 million de milles par heure, soit Mach 1 500”, a déclaré Field. “C’est encore rapide par rapport aux normes humaines, mais pas assez rapide pour être éjecté en toute confiance de son environnement hôte comme GW200129, qui est l’événement que nous avons analysé en janvier 2022.”

L’équipe a également trouvé des indices d’un système de trous noirs binaires formé par capture dynamique. Ceci est différent du mécanisme de formation standard des systèmes stellaires binaires (comme Tatooine de Star Wars) qui orbitent autour d’un centre de gravité commun.

Dans les systèmes d’étoiles binaires, les étoiles suffisamment massives finiront par manquer de carburant pour leur processus de fusion et mourront dans une explosion de supernova qui laisse derrière elles un trou noir. Lorsque les deux étoiles s’effondrent dans des trous noirs, elles peuvent former un système binaire de trous noirs. Cependant, une autre façon de former potentiellement des systèmes de trous noirs binaires consiste à ce que deux trous noirs individuels errant autour d’un amas d’étoiles se “capturent”.

“Bien qu’il s’agisse d’un nouveau domaine de l’astronomie, lancé en 2015 avec la première observation d’ondes gravitationnelles par LIGO, il est passionnant de voir que nous pouvons déjà commencer à répondre aux questions sur la formation des trous noirs binaires dans la nature”, a déclaré Varma.

“Cependant, ces signaux excitants coïncident également avec certains artefacts de bruit dans les détecteurs, ce qui signifie que nous avons besoin de plus d’observations pour mieux comprendre ces binaires. Les détecteurs LIGO en sont actuellement à leur quatrième série d’observations après avoir subi des améliorations de sensibilité, et nous espérons voir bientôt de tels signaux ! »

Islam et Shaik sont étudiants au doctorat en ingénierie et sciences appliquées – sciences et ingénierie computationnelles (CSE). Islam défendra son doctorat le mois prochain et a un poste de bourse postdoctorale prévu à l’Institut Kavli de physique théorique (KITP) de l’UC Santa Barbara. Shaik, le troisième auteur de cet article, est en passe d’obtenir son diplôme au cours de la prochaine année.

“C’est un moment incroyablement gratifiant de trouver un deuxième trou noir se déplaçant rapidement et d’identifier un système de trous noirs binaires qui pourrait s’être formé par capture dynamique”, a déclaré Islam. “Notre recherche contribue non seulement à un chapitre exaltant à l’exploration de ces phénomènes astrophysiques, mais met également en évidence les capacités de pointe du groupe de recherche sur la gravité du CSCDR.”

L’équipe a créé un catalogue d’échantillons postérieurs associés à cette recherche, comprenant 47 événements d’ondes gravitationnelles binaires de trous noirs de 2015 à 2020 et une série de graphiques visuels ressemblant et expliquant les postérieurs « coup de pied » et « rotation » de GW200129.