Astronomie

Les trous noirs sont-ils sphériques lors de la fusion ?

Les trous noirs sont-ils sphériques lors de la fusion ?


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J'ai pensé aux trous noirs, en particulier pendant les derniers instants avant que deux ne fusionnent. Je me demande si les trous noirs, ou je suppose plus précisément leurs horizons d'événements, sont toujours sphériques. Il me semble que dans les instants avant la fusion de deux, leurs horizons d'événements respectifs seront étirés, un peu comme la Lune provoque les marées de notre océan. J'ai dessiné un (pauvre) diagramme de ce à quoi je pense qu'ils peuvent ressembler. Remarquez comment les horizons des événements sont plus proches de la singularité du côté intérieur, c'est parce que la gravité de chaque trou noir est en opposition. Les horizons des événements sont plus éloignés de la singularité du côté extérieur car la gravité de chaque trou noir s'additionne.


Pas besoin de deviner. Il y a des recherches solides faites dans ce domaine. Même Wikipédia a des infos :

Lorsque deux trous noirs se rapprochent, une forme de « bec de canard » dépasse de chacun des deux horizons d'événements vers l'autre. Cette saillie s'étend plus longtemps et plus étroite jusqu'à ce qu'elle rencontre la saillie de l'autre trou noir. À ce stade, l'horizon des événements a une forme en X très étroite au point de rencontre. Les saillies sont étirées en un fil mince. Le point de rencontre se développe en une connexion à peu près cylindrique appelée pont.

https://en.wikipedia.org/wiki/Binary_black_hole#Shape

Il existe des documents de recherche avec des images montrant les résultats des calculs de la forme des horizons des événements lors de la fusion. Voici un exemple :

L'image ci-dessus est tirée de cet article :

Sur les horizons toroïdaux dans les inspirations binaires de trous noirs

Nous examinons la structure de l'horizon des événements pour des simulations numériques de deux trous noirs qui commencent sur une orbite quasi circulaire, inspiratoire et finalement fusionnent. Nous constatons que la section efficace spatiale de l'horizon des événements fusionné a une topologie sphérique (à la limite de notre résolution), malgré l'attente que les fusions de trous noirs binaires génériques en l'absence de symétries devraient donner lieu à un horizon d'événements qui a brièvement une croix toroïdale. section.


De la question Que peut-on apprendre ou noter dans cette vidéo LIGO Orrery ? nous pouvons regarder la vidéo LIGO Orrery (qui a été inspirée par l'époustouflant Kepler Orrery IV).

J'ai fait un petit GIF de mauvaise qualité à partir de captures d'écran ici, la vidéo est beaucoup plus intéressante.

Il a été difficile de savoir exactement ce qui est décrit dans cette réponse, mais il est probable que les surfaces représentent au moins quelque chose comme un horizon des événements.


Commentaires

Fascinant. Cependant, je n'ai pas pu trouver quelle est l'estimation de la taille du trou noir fusionné résultant. En d'autres termes, quelle était la taille du trou noir résultant et quelle quantité d'énergie a été libérée lors de sa formation ? L'énergie libérée dans une fusion de trou noir m'a toujours impressionné.

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Selon l'article publié la semaine dernière, la masse combinée finale était de 37 masses solaires. Les géniteurs séparément totalisaient 38,1. Ainsi, la masse convertie en énergie des ondes gravitationnelles était d'environ 1,1 masses solaires (à prendre en compte dans les incertitudes citées).


Regardez deux trous noirs monstres fusionner en un seul dans cette simulation complexe de la NASA (vidéo)

Les astrophysiciens rêvent de voir un jour véritablement une fusion entre deux géants trous noirs, plutôt que de simplement peindre son portrait en fonction de la façon dont il affecte la matière environnante.

Pour améliorer les chances de faire un jour exactement cela, les scientifiques ont fait appel à des ordinateurs pour développer des simulation de ce à quoi ressemblent les trous noirs, en particulier lorsqu'ils fusionnent. Les chercheurs peuvent ensuite traduire ces simulations super compliquées, dont certaines viennent de publier la NASA, en prédictions de quelles signatures pourraient être détectables et par quels instruments.

"Nous ne trouverons probablement jamais un trou noir binaire avec un télescope jusqu'à ce que nous les simulions au point de savoir exactement ce que nous recherchons, car ils sont si loin, ils sont si petits, vous allez voir juste un point de lumière", a déclaré Jeremy Schnittman, astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA dans le Maryland, qui travaille sur la recherche par simulation, dans un Déclaration de la NASA. "Nous devons être capables de rechercher ce pistolet fumant."

D'où les simulations, les résultats des ordinateurs qui analysent des équations extrêmement complexes sur le comportement de la matière dans les circonstances étranges qui entourent la fusion de deux trous noirs supermassifs.

Contrairement aux trous noirs de masse stellaire, qui se forment à partir d'une étoile en train de s'effondrer, les trous noirs supermassifs résident généralement au centre des galaxies et peuvent avoir des masses des millions ou des milliards de fois celles de notre soleil. Le trou noir supermassif au cœur de notre Voie lactée, appelé Sagittaire A*, a une masse de 4 millions de soleils.

"Nous essayons de coller ensemble de manière transparente et correcte différents codes et méthodes de simulation pour produire une image cohérente", a déclaré Bernard Kelly, astrophysicien à l'Université du Maryland et collaborateur du projet, dans le même communiqué.

Dans ces simulations, chacun des trous noirs est entouré d'une coquille sphérique de gaz, et la paire elle-même est entourée d'un anneau plus éloigné relié aux deux coquilles sphériques par des traînées de gaz incurvées. Les forces magnétiques et gravitationnelles entourant les trous noirs chauffent le gaz, le faisant briller dans la lumière ultraviolette et les rayons X.

Une fois la simulation de base terminée, les scientifiques peuvent modifier les facteurs pour voir comment le signal de la fusion changerait. Ce processus aide les chercheurs à comprendre comment la quantité de gaz impliquée dans la fusion et l'angle sous lequel les scientifiques l'observent modulent les observations que les télescopes recueilleraient d'une telle collision.

Par exemple, les simulations montrent que, vu du bord du disque autour de la fusion, un trou noir créera une caractéristique semblable à un sourcil aux côtés de son compagnon en raison de la façon dont les amas de gaz incandescent interagissent. Les chercheurs espèrent utiliser ce travail avec de futurs projets comme le Antenne spatiale interféromètre laser mission que l'Agence spatiale européenne entend lancer au cours de la prochaine décennie.

"Nous comptons sur la lumière pour tout voir là-bas", a déclaré Scott Noble, également astrophysicien à Goddard travaillant sur la recherche par simulation, dans le même communiqué. "Mais tout n'émet pas de lumière, donc la seule façon de " voir " directement deux trous noirs est à travers les ondes gravitationnelles qu'ils génèrent. Les ondes gravitationnelles et la lumière du gaz environnant sont des moyens indépendants d'en apprendre davantage sur le système, et l'espoir est qu'elles se retrouvera au même endroit."


Les ondes gravitationnelles issues de la fusion binaire des trous noirs pendant l'aube cosmique peuvent être détectées grâce à LIGO-Virgo (astronomie)

La soi-disant « Aube cosmique », c'est-à-dire l'âge au cours duquel les toutes premières sources de lumière (étoiles, trous noirs, galaxies) se sont allumées dans l'Univers, et l'époque ultérieure de réionisation (EoR) au cours de laquelle la majeure partie de l'hydrogène de la milieu intergalactique (MGI) revenu à son état ionisé, sont les deux phases les plus fascinantes et les plus mal comprises de l'évolution de l'Univers.

En se référant au taux de fusion des trous noirs binaires dépendant du décalage vers le rouge (BBH’s), un plus grand nombre de BBH fusionnerait à des époques antérieures et ainsi, la plupart des populations de fusion non résolues individuellement produiraient un fond GW (GWB). La détection d'un GWB sera utilisée pour sonder l'époque de formation et l'efficacité des BBH coalescents, contraindre la fonction de masse pour les populations d'étoiles massives/BH initiées dans l'univers primitif, et même fournir des informations sur l'histoire de la réionisation cosmique.

Plus précisément, l'existence de populations massives de BBH à décalage vers le rouge élevé (à partir de maintenant) (par exemple, les BH restants des étoiles de la population III, ci-après les étoiles PopIII), produirait un GWB détectable par LIGO/Virgo avec une forme spectrale unique qui s'aplatit de manière significative à ∼ 30 Hz, ce qui se distingue de l'indice spectral de /3 2/3 produit de manière générique par des BBH plus faibles et moins massifs. Une récente étude de synthèse de population a également revendiqué un écart de l'indice spectral par rapport à la valeur canonique si la contribution PopIII est incluse.

Les progéniteurs stellaires massifs des BBH fusionnés formés à l'aube cosmique sont également des producteurs efficaces de rayonnement ionisant dans l'univers primitif et devraient dominer le processus de réionisation. Récemment, Planck a rapporté une estimation mise à jour de la profondeur optique de l'univers à la diffusion des électrons déduite des anisotropies du fond diffus cosmologique (CMB)
e 0,052 ± 0,008. Cette faible valeur donnerait une contrainte stricte sur l'histoire de la formation d'étoiles et le bilan de masse stellaire total disponible pour la formation de BBH à des décalages vers le rouge plus élevés. Par conséquent, cela contraint l'amplitude d'un GWB en raison des fusions BBH provenant de populations à z élevé.

Maintenant, Inayoshi et ses collègues ont étudié la limite supérieure du GWB produit par les fusions BBH en tenant compte de la contrainte sur la masse stellaire cumulée de la réionisation cosmique.

Nous constatons que même avec la limite supérieure, le signal GWB est toujours détectable à la sensibilité de conception Advanced LIGO-Virgo, tandis que le taux de fusion à z 0 est cohérent ou inférieur au taux d'événements GW observé.

– a déclaré Inayoshi, premier auteur de l'étude

Sous cette contrainte de l'historique de la réionisation, le taux de fusion pour la population BBH à redshift élevé devient aussi élevé que R_BBH 5−30 Gpc¯ 3 yr¯ 1 à z ≃ 0 pour une large gamme de paramètres du temps de retard a (DTD) pour les coalescences BBH.

Étant donné qu'une grande majorité des BBH fusionnent dans l'univers primitif, le taux de fusion augmente à R_BBH ≃ 10 3–4 Gpc¯ 3 ans¯ 1 à z ≃ 6 − 10 pour l'indice DTD de 1,0 ≲ n ≲ 1,5. À la suite de leurs fusions fréquentes, les chercheurs ont conclu que l'amplitude de la GWB produite par la population BBH à décalage vers le rouge élevé (z élevé) peut être aussi élevée que Ωgw 1,48 × 10¯ 9 à f = 25 Hz, où l'Advanced Les détecteurs LIGO-Virgo sont les plus sensibles (pour détecter ce signal GWB), tandis que le taux de fusion à z ≃ 0 est cohérent ou inférieur au taux d'événements GW observé. La détection de ce niveau de GWB indiquerait également une contribution majeure de la population de BBH à z élevé aux événements locaux de GW.

En utilisant les propriétés BBH mises à jour de la séquence d'observation LIGO-Virgo O3a et la nouvelle valeur de τe, ils ont également déduit une forme spectrale GWB, avec un aplatissement caractéristique à f 20 − 30 Hz à partir de la valeur de 2/3, ce qui est même plus asymétrique vers les basses fréquences si la fonction de masse est plus lourde que dans l'univers local.

Cela nous permettrait d'extraire des informations sur la fonction de masse des BBH fusionnés à des redshifts élevés

– a déclaré Inayoshi, premier auteur de l'étude

Référence: Kohei Inayoshi, Kazumi Kashiyama, Eli Visbal, Zoltan Haiman, “Arrière-plans d'ondes gravitationnelles provenant de la fusion de binaires de trous noirs à l'aube cosmique : une limite supérieure”, ArXiv, pp. 1-15, 2021. https://arxiv.org /abs/2103.12755

Le droit d'auteur de cet article appartient totalement à notre auteur S. Aman. On n'est autorisé à le réutiliser qu'en donnant un crédit approprié soit à lui soit à nous


Les astronomes pensent que cette collision de trou noir a peut-être explosé avec la lumière

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L'une des caractéristiques les plus déterminantes d'un trou noir est que rien ne peut s'échapper une fois qu'il passe l'horizon des événements, pas même la lumière. On s'attendrait donc à ce qu'il en soit de même lorsque deux trous noirs entrent en collision et fusionnent. Mais certains astronomes ont postulé qu'il pourrait y avoir des conditions inhabituelles dans lesquelles une telle fusion pourrait produire une explosion de lumière qui l'accompagne. En combinant les données des ondes gravitationnelles avec les données collectées lors d'une étude robotique du ciel, une équipe pense avoir trouvé la première preuve d'un tel phénomène, selon un nouvel article paru dans Physical Review Letters.

LIGO détecte les ondes gravitationnelles par interférométrie laser, en utilisant des lasers à haute puissance pour mesurer de minuscules changements dans la distance entre deux objets placés à des kilomètres l'un de l'autre. (LIGO possède des détecteurs à Hanford, Washington, et à Livingston, Louisiane. Un troisième détecteur en Italie, Advanced VIRGO, a été mis en ligne en 2016.) Le 14 septembre 2015, à 5 h 51 HNE, les deux détecteurs ont capté des signaux en quelques millisecondes l'un de l'autre pour la toute première fois, preuve directe de deux trous noirs se rapprochant l'un de l'autre et fusionnant dans un événement de collision massive qui a envoyé de puissantes ondes de choc à travers l'espace-temps.

Lectures complémentaires

La collaboration a ramassé deux autres fusions de trous noirs de cette première course. Le deuxième essai, du 30 novembre 2016 au 25 août 2017, a produit sept autres fusions de trous noirs binaires (y compris les quatre qui viennent d'être annoncées) et une fusion binaire d'étoiles à neutrons, soutenue par un sursaut gamma simultané et des signaux en le reste du spectre électromagnétique, surnommé un "kilonova". Il s'agissait d'un enregistrement sans précédent d'un événement céleste majeur, combinant lumière et son, et marquait officiellement l'aube d'une nouvelle ère dans ce qu'on appelle « l'astronomie multi-messagers ».

En décembre 2018, la collaboration a signalé quatre détections non annoncées auparavant d'ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs, y compris la plus grande collision de trous noirs connue à ce jour, il y a environ 5 milliards d'années. LIGO / VIRGO a lancé sa troisième course le 1er avril 2019 et en un mois, il a détecté cinq autres événements d'ondes gravitationnelles : trois provenant de la fusion de trous noirs, un d'une fusion d'étoiles à neutrons et un autre pourrait avoir été le premier exemple d'une étoile à neutrons. -fusion de trous noirs. (Pour les mordus de LIGO, il existe désormais une application iPhone qui vous permet de suivre les annonces de l'événement, avec une version Android en préparation).

Depuis le "kilonova" de 2017, les astronomes se sont efforcés de rechercher une signature optique correspondante chaque fois que LIGO / VIRGO capte un signal d'onde gravitationnelle pour des fusions d'étoiles à neutrons ou d'éventuelles fusions d'étoiles à neutrons et de trous noirs. Mais l'hypothèse a été que les fusions trou noir-trou noir ne produiraient aucune signature optique, il était donc inutile d'en chercher une. Matthew Graham, astronome à Caltech et co-auteur du nouvel article, fait partie des astronomes qui ont proposé un modèle alternatif l'année dernière, prédisant que dans certaines conditions et dans un environnement particulier, une telle fusion dégagerait une signature optique dans la forme d'une poussée intense.

C'est la signification de l'article actuel : Graham et al. ont trouvé la première preuve possible que leur modèle peut être correct. Dans ce cas, il s'agit d'une fusion de trous noirs binaires que LIGO a repérée le 21 mai 2019 (désignée S190521g). Ce système binaire s'est peut-être formé dans le disque d'accrétion entourant un trou noir supermassif au centre d'une galaxie.

Co-auteur K.E. Saavik Ford du City University of New York Graduate Center a comparé le disque d'accrétion à un essaim d'étoiles et d'étoiles mortes, y compris des trous noirs. "Ces objets pullulent comme des abeilles en colère autour de la monstrueuse reine des abeilles au centre", a-t-elle déclaré. "Ils peuvent brièvement trouver des partenaires gravitationnels et se mettre en couple, mais perdent généralement rapidement leurs partenaires à cause de la danse folle. Mais dans le disque d'un trou noir supermassif, le gaz qui s'écoule convertit le mosh pit de l'essaim en un menuet classique, organisant les trous noirs pour qu'ils puissent s'apparier. Lorsque cette paire binaire fusionne enfin, le nouveau trou noir plus grand qu'ils forment reçoit un puissant coup de pied et traverse le gaz dans le disque d'accrétion, qui réagit en produisant une éruption lumineuse que les astronomes peuvent capter avec leurs télescopes.

Alors que les astronomes à la recherche de signatures optiques pour d'autres types de fusions le font généralement le plus rapidement possible, au moment où LIGO / VIRGO signale un événement pour une fusion trou noir-trou noir, "il faut du temps pour que l'éclat visuel de la balle s'accumule". Graham a dit à Ars. "Nous pouvons attendre quelques jours ou quelques semaines avant de voir cela, c'est donc une stratégie de suivi très différente."

Graham et ses co-auteurs ont commencé à parcourir le ciel nocturne à la recherche de preuves d'une telle signature optique à l'aide de la Zwicky Transient Facility (ZTF), une caméra robotique attachée au télescope Samuel Oschin de 70 ans à l'observatoire Palomar de San Diego. Comté, Californie. ZTF effectue des relevés robotiques du ciel nocturne, à la recherche d'objets qui éclatent ou dont la luminosité varie : les supernovas, les étoiles grignotées par les trous noirs, les astéroïdes et les comètes, par exemple. Il scanne tout le ciel pendant trois nuits et le plan visible de la galaxie deux fois par nuit, même pendant l'arrêt du coronavirus.

Se cacher dans les données collectées dans les jours et les semaines qui ont suivi la détection de LIGO le 21 mai était justement un tel signal, ralentissant la décoloration au cours du mois suivant. Le trou noir supermassif représente environ 100 millions de masses solaires, selon Graham, soit à peu près la taille de l'orbite de la Terre. Les trous noirs binaires qui ont fusionné représentaient environ 50 masses solaires, de la taille de Manhattan ou de Long Island. Quant au coup de pied délivré au nouveau trou noir plus grand, il atteint environ 500 000 milles à l'heure. "Ce sont donc des systèmes énergétiques importants", a déclaré Graham.

"L'éruption était à la bonne échelle de temps et au bon endroit, pour coïncider avec l'événement d'onde gravitationnelle", a déclaré Graham, bien qu'il reconnaisse qu'il existe toujours une possibilité que l'éruption ait été produite par autre chose qu'un noir binaire. fusion de trous. Il y a aussi de bonnes raisons d'écarter les candidats alternatifs les plus évidents.

Cela pourrait être un événement de perturbation de la marée, par exemple, sauf que "le trou noir supermassif est trop massif [pour cela] et il n'a pas l'air bien", a déclaré Graham. Et tandis que les énergies sont à peu près correctes pour une supernova, "l'évolution temporelle est fausse et la forme ne semble pas particulièrement correcte", a-t-il déclaré. Une possibilité moins probable est que le flash provienne d'une supernova intégrée dans le disque d'accrétion d'un quasar, qui n'a jamais été observée auparavant et serait donc très intrigante pour les astronomes en soi.

Bien sûr, les conditions doivent être justes pour que ce phénomène se produise. Selon Graham, même si les trous noirs binaires fusionnés étaient petits par rapport au trou noir supermassif à proximité, ils étaient encore assez grands. Les trous noirs dans le régime de masse stellaire 50 ne sont généralement pas créés à partir d'une explosion de supernova. Il est beaucoup plus probable que chacun ait commencé comme un petit trou noir qui a fusionné avec un autre avant de s'apparier. "Ce type de modèle de fusion hiérarchique ne peut se produire que dans quelques endroits préférés de l'univers", a déclaré Graham. "Vous avez besoin d'un puits gravitationnel profond, et c'est ce que vous offre un trou noir supermassif. C'est l'environnement parfait pour qu'une fusion hiérarchique se produise."

Graham pense qu'il pourrait y avoir plus de fusions binaires de trous noirs dans le disque d'accrétion d'un trou noir supermassif. Cela signifie qu'il pourrait y avoir des éruptions plus puissantes associées à ces événements, et il estime que les astronomes pourraient être en mesure d'en repérer entre 25 et 50 %, selon leur orientation. Si ce nouveau modèle est correct, la chasse à ce type de signature optique pourrait devenir une nouvelle stratégie d'observation dans le contexte plus large de l'astronomie multi-messagers.

Graham et al. mènent actuellement une recherche systémique de leurs données qui coïncide avec tous les événements LIGO détectés jusqu'à présent depuis la troisième exécution de la collaboration, dans l'espoir d'en trouver plus. Et ce trou noir nouvellement formé devrait produire une autre poussée énergétique au cours des prochaines années, lorsqu'il entrera à nouveau dans le disque d'accrétion du trou noir supermassif,


La collision de trous noirs qui a remodelé la physique

Un signal important de l'espace a confirmé des décennies de théorisation sur les trous noirs et a lancé une nouvelle ère d'astronomie par ondes gravitationnelles.

L'événement a été catastrophique à l'échelle cosmique - une fusion de trous noirs qui a violemment secoué le tissu environnant de l'espace et du temps, et a envoyé une explosion de vibrations spatio-temporelles connues sous le nom d'ondes gravitationnelles ondulant à travers l'Univers à la vitesse de la lumière.

Mais c'était le genre de calamité que les physiciens sur Terre attendaient. Le 14 septembre, lorsque ces ondulations ont balayé l'observatoire à ondes gravitationnelles à interféromètre laser récemment mis à niveau (Advanced LIGO), elles sont apparues sous forme de pics dans les lectures de ses deux détecteurs en forme de L en Louisiane et dans l'État de Washington. Pour la toute première fois, les scientifiques ont enregistré un signal d'onde gravitationnelle.

"C'était là !" », déclare Daniel Holz, membre de l'équipe LIGO, astrophysicien à l'Université de Chicago dans l'Illinois. "Et c'était si fort, et si beau, dans les deux détecteurs." Bien que la forme du signal semblait familière de la théorie, Holz dit, « c'est complètement différent quand vous voyez quelque chose dans les données. C'est ce moment transcendant.

Le signal, officiellement désigné GW150914 après la date de son apparition et officieusement connu de ses découvreurs sous le nom de « l'événement », a été salué à juste titre comme une étape importante de la physique. Il a fourni une multitude de preuves pour la théorie de la relativité générale centenaire d'Albert Einstein, qui soutient que la masse et l'énergie peuvent déformer l'espace-temps, et que la gravité est le résultat d'une telle déformation. Stuart Shapiro, spécialiste des simulations informatiques de la relativité à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, l'appelle "la confirmation la plus significative de la théorie générale de la relativité depuis sa création".

Mais l'événement marque également le début d'une ère promise depuis longtemps de l'astronomie des ondes gravitationnelles. Une analyse détaillée du signal a déjà permis de mieux comprendre la nature des trous noirs qui ont fusionné et leur formation. Avec plus d'événements comme ceux-ci - l'équipe LIGO analyse plusieurs autres événements candidats capturés au cours de la période de quatre mois des détecteurs, qui s'est terminée en janvier - les chercheurs seront en mesure de classer et de comprendre les origines des trous noirs, tout comme ils le font. avec des étoiles.

D'autres événements devraient apparaître à partir de septembre, lorsque Advanced LIGO devrait commencer des observations conjointes avec son homologue européen, l'installation Advanced Virgo dirigée par la Franco-Italienne près de Pise, en Italie. (Les deux collaborations mettent déjà en commun les données et publient des articles ensemble.) Ce détecteur apportera non seulement des détails cruciaux aux événements, mais pourrait également aider les astronomes à effectuer des mesures de distance cosmologiques plus précisément qu'auparavant.

"Ce sera une très bonne course pour les prochaines années", déclare Bruce Allen, directeur général de l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle à Hanovre, en Allemagne.

« Plus ils voient de trous noirs se cogner les uns contre les autres, plus ce sera amusant », déclare Roger Penrose, physicien théoricien et mathématicien à l'Université d'Oxford, au Royaume-Uni, dont les travaux dans les années 1960 ont contribué à jeter les bases de la théorie. des objets. "Soudain, nous avons une nouvelle façon de regarder l'Univers."

Les physiciens savent depuis des décennies que chaque paire de corps en orbite est une source d'ondes gravitationnelles. A chaque révolution, selon les équations d'Einstein, les ondes emporteront une infime fraction de leur énergie orbitale. Cela amènera les objets à se rapprocher un peu plus les uns des autres et à orbiter un peu plus rapidement. Pour des paires familières, telles que la Lune et la Terre, une telle perte d'énergie est imperceptible même sur des échelles de temps de milliards d'années.

Mais les objets denses sur des orbites très proches peuvent perdre de l'énergie beaucoup plus rapidement. En 1974, les radioastronomes Russell Hulse et Joseph Taylor, alors de l'Université du Massachusetts à Amherst, ont trouvé un tel système : une paire d'étoiles à neutrons denses en orbite l'une autour de l'autre. Au fil des années, les scientifiques ont découvert que ce « pulsar binaire » perdait de l'énergie et tournait vers l'intérieur exactement comme prédit par la théorie d'Einstein.

Les deux trous noirs détectés par LIGO avaient probablement perdu de l'énergie de cette manière pendant des millions, voire des milliards d'années avant d'atteindre la fin. Mais LIGO n'a enregistré les ondes gravitationnelles qui en provenaient qu'à 9 h 50 min 45 s du temps universel coordonné le 14 septembre, lorsque la fréquence de l'onde a dépassé les 30 cycles par seconde (hertz) - correspondant à 15 orbites complètes de trous noirs par seconde - et était finalement suffisamment élevé pour que les détecteurs le distinguent du bruit de fond.

Mais ensuite, en seulement 0,2 seconde, LIGO a regardé le signal monter à 250 hertz et disparaître soudainement, alors que les trous noirs effectuaient leurs 5 dernières orbites, atteignaient des vitesses orbitales de la moitié de la vitesse de la lumière et fusionnaient en un seul objet massif (voir 'Qu'est-ce que fait la vague').

Les équipes LIGO et Virgo se sont rapidement mises au travail pour extraire toutes les informations possibles. Au niveau le plus fondamental, le signal leur a donné une preuve d'existence : le fait que les objets soient si proches les uns des autres avant de fusionner signifiait qu'ils devaient être des trous noirs, car les étoiles ordinaires devraient être beaucoup plus grosses. "C'est, je pense, l'indication la plus claire que les trous noirs sont vraiment là", dit Penrose.

Le signal a également fourni aux chercheurs le premier test empirique de la relativité générale au-delà des régions - y compris l'espace autour du pulsar binaire - où il y a comparativement peu de déformation spatio-temporelle. Il n'y avait aucune preuve empirique que la théorie garderait sa validité aux énergies extrêmes de la fusion des trous noirs, dit Shapiro - mais c'est le cas.

Le signal contenait également une mine d'informations plus détaillées. En scrutant sa forme juste avant le cataclysme final, les scientifiques ont découvert qu'elle se rapprochait étroitement d'une simple onde sinusoïdale avec une fréquence et une amplitude en constante augmentation. Selon BS Sathyaprakash, physicien théoricien à l'Université de Cardiff, Royaume-Uni, et chercheur principal de LIGO, ce schéma suggère que les orbites des trous noirs étaient presque circulaires, et que LIGO avait probablement une vue plongeante des cercles, regardant presque vers le bas sur eux plutôt que par le bord.

De plus, les équipes LIGO et Virgo ont pu utiliser la fréquence de l'onde observée, ainsi que son taux d'accélération, pour estimer les masses des deux trous noirs : parce que les objets plus lourds rayonnent de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles à un rythme plus rapide. taux que les objets plus légers, leur hauteur augmente plus rapidement.

En recréant l'Événement avec des simulations informatiques, les scientifiques ont calculé que les deux trous noirs pesaient respectivement environ 36 fois et 29 fois la masse du Soleil, et que le trou noir combiné pesait environ 62 masses solaires 1 . La différence perdue, d'une valeur d'environ trois Soleils, a été dispersée sous forme de rayonnement gravitationnel - en grande partie pendant ce que les physiciens appellent la phase de "baisse", lorsque le trou noir fusionné prenait une forme sphérique. (À titre de comparaison, la bombe thermonucléaire la plus puissante jamais déclenchée n'a converti qu'environ 2 kilogrammes de matière en énergie, soit environ 10 à 30 fois moins.) Les équipes soupçonnent également que le trou noir final tournait à peut-être 100 tours par seconde, bien que la marge de l'erreur sur cette estimation est grande.

Les masses inférées des deux trous noirs sont également révélatrices. Chaque objet était vraisemblablement le vestige d'une étoile très massive, la plus grande étoile approchant 100 fois la masse du Soleil et la plus petite un peu moins. Les réactions thermonucléaires sont connues pour convertir l'hydrogène dans le cœur de ces étoiles en hélium beaucoup plus rapidement que dans les étoiles plus légères, ce qui les conduit à s'effondrer sous leur propre poids quelques millions d'années seulement après leur naissance. L'énergie libérée par cet effondrement provoque une explosion appelée supernova de type II, qui laisse derrière elle un noyau résiduel qui se transforme en une étoile à neutrons ou, si elle est suffisamment massive, un trou noir.

Les scientifiques disent que les supernovae de type II ne devraient pas produire de trous noirs beaucoup plus gros qu'environ 30 masses solaires – et les deux trous noirs se situaient à l'extrémité supérieure de cette plage. Cela pourrait signifier que le système s'est formé à partir de nuages ​​de gaz interstellaires plus riches en hydrogène et en hélium que ceux que l'on trouve généralement dans notre Galaxie, et plus pauvres en éléments lourds – que les astronomes appellent métaux.

Les astrophysiciens ont calculé que les étoiles formées à partir de ces nuages ​​à faible métallicité devraient avoir plus de facilité à former des trous noirs massifs lorsqu'elles explosent, explique Gijs Nelemans, astronome à l'Université Radboud de Nijmegen aux Pays-Bas et membre de la collaboration Advanced Virgo. En effet, lors d'une explosion de supernova, les atomes plus petits sont moins susceptibles d'être emportés par l'explosion. Les étoiles à faible métallicité « perdent donc moins de masse, donc plus d'entre elles vont dans le trou noir, pour la même masse initiale », explique Nelemans.

Mais comment ces deux trous noirs se sont-ils retrouvés dans un système binaire ? Dans un article 2 publié en même temps que celui relatant la découverte, les équipes LIGO et Virgo ont décrit deux scénarios communément admis.

Le plus simple est que deux étoiles massives sont nées sous la forme d'un système d'étoiles binaires, se formant à partir du même nuage de gaz interstellaire comme un œuf à double jaune, et en orbite depuis lors. (De telles étoiles binaires sont courantes dans notre galaxie, comme le Soleil est l'exception plutôt que la règle.) Après quelques millions d'années, l'une des étoiles aurait brûlé et serait devenue une supernova, bientôt suivie par l'autre. Le résultat serait un trou noir binaire.

Le deuxième scénario est que les étoiles se sont formées indépendamment, mais toujours à l'intérieur du même amas stellaire dense - peut-être similaire aux amas globulaires qui orbitent autour de la Voie lactée. Dans un tel amas, les étoiles massives couleraient vers le centre et, grâce à des interactions complexes avec des étoiles plus légères, formeraient des systèmes binaires, peut-être longtemps après leur transformation en trous noirs.

C'est, je pense, l'indication la plus claire que les trous noirs sont vraiment là.

Des simulations réalisées par Simon Portegies Zwart, astrophysicien à l'Université de Leiden aux Pays-Bas, montrent 3 que les étoiles massives sont plus susceptibles de se former dans des amas denses, où les collisions et les fusions sont plus fréquentes. Il découvre également qu'une fois qu'un système binaire de trous noirs se forme, la dynamique complexe du centre de l'amas expulserait probablement la paire à grande vitesse. Le binaire détecté par Advanced LIGO peut s'être éloigné de n'importe quelle galaxie pendant des milliards d'années avant de fusionner, dit-il.

Bien que les équipes LIGO et Virgo aient pu apprendre beaucoup de l'événement, il y a beaucoup plus que les ondes gravitationnelles pourraient leur apprendre, même dans le cas de fusions de trous noirs. Les détecteurs ont montré qu'immédiatement après la fusion des trous noirs, les ondes s'est rapidement éteint lorsque le trou noir résultant s'est installé dans une forme symétrique. Cela est cohérent avec les prédictions faites par le physicien théoricien C. V. Vishveshwara au début des années 1970, à une époque où « les ondes gravitationnelles et les trous noirs appartenaient tous deux au domaine de la mythologie », dit-il. « À cette époque, je n'avais pas imaginé que cela serait un jour vérifié », déclare Vishveshwara, directeur émérite du Jawaharlal Nehru Planetarium à Bangalore, en Inde.

Mais LIGO n'a vu qu'un peu plus d'un cycle des ondes de sonnerie de l'événement avant que le signal ne soit à nouveau enfoui dans le bruit de fond – pas encore assez de données pour fournir un test rigoureux des prédictions de Vishveshwara.

More-stringent tests will be possible if and when LIGO detects black-hole mergers that are larger than this one, or that occur closer to Earth than the Event's estimated distance of 1.3 billion light years, and thus give 'louder' waves that stay above the noise for longer.

Alessandra Buonanno, a LIGO theorist and director of the Max Planck Institute for Gravitational Physics in Potsdam-Golm, Germany, says that a more detailed picture of the ringdown stage could reveal how fast the final black hole rotates, as well as whether its formation gave it a 'natal kick', imparting a high velocity.

In addition, says Sathyaprakash, “we are especially waiting for systems that are much lighter, so they last longer”. Such events could include the mergers of lighter binary black holes, of binary neutron stars or of a black hole with a neutron star. Each type would deliver its own signature chirp, and could produce a signal that stays above LIGO's threshold of sensitivity for several minutes or more.

“GW150914 is in some sense a very vanilla system,” says Chad Hanna, a LIGO member at Pennsylvania State University in University Park. “It's beautiful, of course, but it doesn't have all the crazy things that one might expect.”

One phenomenon that Sathyaprakash is eager to observe is a 'precession' of the black holes' orbital plane, meaning that their paths trace a kind of 3D rosette. This is a relativistic effect that has no counterpart in Newtonian gravity, and it should produce a characteristic fluctuation in the strength of the gravitational waves. But orbital precession occurs only when two black holes have axes of rotation that point in random directions, and it disappears when the axes are both perpendicular to the orbital plane. The occurrence of a precession could provide clues to how the black holes formed.

It's hard to be sure about that possibility because there are many uncertainties in simulating supernovas. But astrophysicists suspect that parallel spins generally signify that the original two stars were born together out of the same whirling gas cloud. Similarly, they think that random spins result from black holes that formed separately and later fell into orbit around each other. Once the observatories find more mergers, they may be able to determine which type of system occurs more frequently.

Although detecting more events will help LIGO to do lots of science, its interferometers have intrinsic limitations that make it necessary to work together with a worldwide network of similar detectors that are now coming online.

First, LIGO's two interferometers are not enough for scientists to determine precisely where the waves came from. The researchers can get some information by comparing the signal's time of arrival at each detector: the difference enables them to calculate the wave's direction relative to an imaginary line drawn between the two. But in the case of the Event, which recorded a difference of 6.9 milliseconds, their calculations limited the field of possibilities merely to a wide strip of southern sky.

Had Virgo been online, the scientists could have narrowed down the direction substantially by comparing the waves' arrival times at three places. With a fourth interferometer (Japan is building an underground one called KAGRA, for Kamioka Gravitational-Wave Detector, and India has its own LIGO in planning), their precision would improve much more.

Knowing an event's direction will in turn remove one of the biggest uncertainties in determining its distance from Earth. Waves that approach from a direction exactly perpendicular to the detector — either from above or from below, through Earth — will be recorded at their actual amplitude, explains Fulvio Ricci, a physicist at the University of Rome La Sapienza and the spokesperson for Virgo. Waves that come from elsewhere in the sky, however, will hit the detector at an angle and produce a somewhat smaller signal, according to a known formula. There are even some blind spots, where a source cannot be seen by a given detector at all.

Determining the direction will therefore reveal the exact amplitude of the waves. By comparing that figure with the waves' amplitude at the source, which the researchers can derive from the shape of the signal, and by knowing how the amplitude decreases with distance, which they get from Einstein's theory, they can then calculate the distance of the source to a much higher precision.

This situation is almost unprecedented: conventionally, astronomical distances need to be estimated by looking at the brightness of known objects in locations that range from the Solar System to distant galaxies. But the measured brightness of those 'standard candles' can be dimmed by stuff in between. Gravitational waves have no such limitation.

There is another important reason why scientists are eager to have precise estimates of the waves' provenance. The LIGO and Virgo teams have arranged to give near-real-time alerts of intriguing events to more than 70 teams of conventional astronomers, who will use their optical, radio and space-based telescopes to see whether those events produced any form of electromagnetic radiation. In return, the LIGO and Virgo collaborations will be sifting through data to search for gravitational waves that could have been generated by events, such as supernova explosions, seen by the conventional observatories.

Some 20 teams tried to follow up on the Event, mostly to no avail. NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope did see a possible burst of γ-rays about 0.4 seconds later, coming from an equally vague but compatible region of the southern sky 4 . But most observers now consider it to be a coincidence. Such γ-rays could, in principle, have been produced when gas orbiting the binary black hole was heated up during the merger, says Vicky Kalogera, a LIGO astrophysicist at Northwestern University in Evanston, Illinois. But “our astrophysical expectation has been that the gas from stars that formed the binary black hole has long dispersed. There shouldn't be any significant gas around”, she says.

Going forward, however, matching gravitational waves with electromagnetic ones could usher in a new era of astronomy. In particular, mergers of neutron stars are expected to produce short γ-ray bursts. Researchers could then measure how far the light from those bursts is shifted towards the red end of the spectrum, which would tell astronomers how fast the stars' host galaxies are receding owing to the expansion of the Universe.

Matching those redshifts to distance measurements calculated from gravitational waves should give estimates of the current rate of cosmic expansion, known as the Hubble constant, that are independent — and potentially more precise — than calculations using current methods. “From the point of view of measuring the Hubble constant, that's our gold-plated source”, says Holz.

The LIGO and Virgo teams estimate that they have a 90% chance of finding more events in the data that LIGO has already collected. They are confident that by the time the next run finishes, the event count will be at least 5, growing to perhaps 35 by the end of a run scheduled to start in 2017.

“To be honest,” says Holz, “I find it really hard to believe that the Universe is really doing this stuff. But it's not science fiction. It really happened.”


These Black Holes Shouldn’t Exist, but There They Are

On the far side of the universe, a collision of dark giants sheds light on an invisible process of cosmic growth.

Well, that was some clash of the heavyweights.

Astronomers reported on Wednesday that they had detected the loudest, most massive and most violent collision yet between a pair of black holes. Two Goliaths of darkness crashed into each other seven billion years ago, vibrating space-time and producing a loud, sharp chirp — almost a bang, one astronomer said — lasting just a tenth of a second in the antennas of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory and the Virgo interferometer observatory.

That short signal from a galaxy far, far away has left astrophysicists with new questions about how black holes form and grow.

Daniel Holz, a theorist at the University of Chicago and a member of the LIGO team, called the new discovery “the first LIGO/Virgo detection that’s truly surprising. All the other binary systems that we’ve detected fit reasonably well within expectations. But the black holes in this event aren’t supposed to exist!”

One and perhaps both of the colliding holes were too massive to have been produced by the collapse of a star, according to conventional theories. Moreover, the merger created an even larger black hole, 142 times as massive as the sun, belonging to a whole new category of intermediate-mass, or “missing link,” black holes never reliably seen before.

“Another discovery from the worldwide gravitational-wave detector network that rewrites what we know about our universe,” Zsuzsanna Marka, an astrophysicist at Columbia University who works on LIGO, wrote in an email.

Janna Levin, a cosmologist at Barnard College who is not part of the LIGO group, added: “Yes! I’ve been waiting for something like this since I first became interested in gravitational waves.”

The event unfolded at an almost unimaginable distance from Earth — in a spot that is now 17 billion light-years away according to standard cosmological calculations that describe an expanding universe. One black hole with 85 times the mass of the sun, and a second with 66 solar masses, smashed together, creating a black hole 142 times as massive as the sun.

Another eight or so suns’ worth of mass and energy disappeared into gravitational waves, ripples of the space-time fabric, in a split-second of cosmic frenzy, ringing the universe like a bell on the morning of May 21, 2019.

An international team of scientists who compose the LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration reported their findings in two papers published Wednesday in Physical Review Letters and The Astrophysical Journal Letters.

Their papers largely affirm a preliminary analysis of the event, known as GW190521 (after the date when it was recorded), made by a group outside the collaborations. In June a team led by Matthew Graham of the California Institute of Technology, going on publicly available data, ran a preliminary analysis, hoping to beat the LIGO and Virgo groups to the answer.

Using a telescope in California called the Zwicky Transient Facility, or Z.T.F., Dr. Graham’s team detected a flash of light that could have been caused by the newly formed black hole racing through a disk of dense gas surrounding the center of a faraway galaxy.

They predicted that a final analysis would show that the combined masses of the colliding black holes would exceed 100 solar masses, and that the resulting black hole would spin wildly and have a large recoil velocity.

“This is exactly what LIGO is now reporting,” Dr. Graham wrote in an email. “This is a great discovery from LIGO and provides strong evidence in support of the merger model and environment that we have been promoting.”

The discovery is another triumph for the infant branch of gravitational-wave astronomy, and for Virgo in Italy and the twin LIGO facilities in Washington State and Louisiana. Thirty years and $1 billion in the planning and making, the three laboratories use laser light, bouncing between mirrors in L-shaped arms, to detect submicroscopic stretching and compressing of space-time as gravitational waves pass by.

Only confrontations between the most massive denizens of the universe can shake space-time enough to be noticed by these antennas. Black holes are objects predicted by Albert Einstein to be so dense that not even light can escape them.

In September 2015, right after the LIGO antennas went into operation, a pair of colliding black holes was detected, proving both the existence of gravitational waves and of black holes. The discovery earned LIGO’s founders the Nobel Prize in Physics.

Since then, a taxonomy of black holes has emerged from the discovery of things banging together out there in the dark.

Most known black holes are the corpses of massive stars that have died and collapsed catastrophically into nothing: dark things a few times as massive as the sun. But galaxies harbor black holes millions or billions of times more massive than that. How these objects can grow so big is an abiding mystery of astronomy.

Until recently there had been scant evidence of black holes of intermediate sizes, with 100 to 100,000 solar masses. The black hole created in the GW190521 merger is the first solid example of this missing link.

“I was searching for heavy black holes for 15 years and here it is!” Sergey Klimenko, a physicist at the University of Florida, wrote in an email. “This discovery is a milestone in gravitational wave astronomy.”

As a result, he said, astronomers may have achieved a glimpse of the process by which the universe builds black holes in the dark, transforming pipsqueaks into rumbling leviathans like the one in the galaxy M87 that was the first ever imaged.

“This is the first and only firm/secure mass measurement of an intermediate mass black hole at the time of its birth,” Vicky Kalogera, an astrophysicist at Northwestern University, wrote in an email. “Now we know reliably at least one way” these objects can form, “through the merger of other black holes.”

This merger process could be an important clue to the origin of the heavier of the two black holes that collided in June. That black hole had a mass of 85 suns, and it should not have existed, according to standard astrophysical logic. Black holes with masses between about 50 and 120 suns cannot be formed, at least from a dying star, so the story and the calculations go.

In stars massive enough to make such a beastly hole, the interior grows so hot when collapsing that light spontaneously creates pairs of electrons and positrons. This makes the star even hotter, which produces more particles, in a runaway reaction that results in a particularly violent explosion called a pair-instability supernova. Such a conflagration leaves nothing behind.

“No neutron star,” Dr. Holz said. “No black hole. Nothing.”

He mentioned the black hole in GW190521 with 85 solar masses: “The bigger black hole is right smack in the middle of the region where black holes don’t belong. Nature seems to have ignored all of our careful theoretical calculations arguing that black holes of this mass don’t exist.”

He added: “A discovery like this is simultaneously disheartening and exhilarating. On the one hand, one of our cherished beliefs has been proven wrong. On the other hand, here’s something new and unexpected, and now the race is on to try to figure out what is going on.”

An engaging possibility, Dr. Holz and others say, is that the too-heavy hole was made of two smaller black holes that had collided and merged. In that case, the merger seen in June would have been a second- or even third-generation event, one in a hierarchical series of black hole mergers that eventually results in supermassive black holes.

Some astrophysicists think that such mergers are most likely to occur near the centers of galaxies, where supermassive black holes create swirling mosh pits of gas and other objects, and in which thousands of smaller black holes might congregate and breed. That is what Dr. Graham’s team had suggested.

But the flare that Dr. Graham’s group saw came from a galaxy about 8 billion light-years away, about half as far as the gravitational wave event GW190521, casting their identification of the source in doubt.

Nevertheless, many of the LIGO collaborators, including Dr. Kalogera, expressed sympathy with the idea that it is in such giant supermassive black hole mosh pits that bigger black holes are built. These arenas are known as active galactic nuclei, or A.G.N.s.

“I would love the Z.T.F. flash to be true,” Dr. Marka of Columbia said. “It is just more exciting.”

K. E. Saavik Ford, an astronomer at the American Museum for Natural History and a member of Dr. Graham’s team, called the new LIGO results very exciting.

“We’re super-grateful to them for all of their hard work, and gratified that they do address the A.G.N. scenario extensively in the ApJ paper,” she wrote in an email. “It is the full employment act for A.G.N. modelers!”


Some Black Holes Are Impossible In Our Universe

For the real black holes that exist or get created in our Universe, we can observe the radiation . [+] emitted by their surrounding matter, and the gravitational waves produced by the inspiral, merger, and ringdown phases. Although only a few X-ray binaries are known, LIGO and other gravitational wave detectors should be capable of filling in any mass gap ranges where black holes do abundantly exist.

LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

If you take enough mass and compress it into a small enough volume of space, you’ll inevitably form a black hole. Any mass in the Universe will curve the fabric of spacetime around it, and the more severely curved that spacetime fabric is, the more difficult it is to escape from that mass’s gravitational pull. The smaller the volume becomes that your mass occupies, the faster you’d have to travel, at the edge of that object, to actually escape it.

At some point, the escape velocity you’d need to obtain would exceed the speed of light, which defines the critical threshold for forming a black hole. According to Einstein’s General Relativity, any mass in a small enough volume would be sufficient to form a black hole. But in our physical reality, there are real limitations that our Universe is subjected to, and not every mathematical possibility comes to fruition. Many of the black holes that we could imagine forming simply don’t in our Universe. To the best of our knowledge, here’s what’s impossible.

An illustration between the inherent uncertainty between position and momentum at the quantum level. . [+] The better you know or measure a particle's position, the less well you know its momentum, as well as vice versa. Both position and momentum are better described by a probabilistic wavefunction than by a single value.

E. SIEGEL / WIKIMEDIA COMMONS USER MASCHEN

Black holes have a quantum limit. Below a certain scale, reality is not what it seems. Instead of matter and energy having specific properties that are limited only by our ability to measure it, we’ve found that there are inherently uncertain relationships between various properties. If you measure a particle’s position, you’ll know its uncertainty inherently less well. If you measure its lifetime or its behavior over extremely short timescales, the less well-known you can inherently know its intrinsic energy, or even its rest mass.

There’s an inherent limit to how well you can know any two complementary quantities simultaneously, which is the key point of the Heisenberg uncertainty principle. Even empty space — if you were to remove all the various forms of matter and energy entirely — exhibits this uncertainty. Well, if you consider a distance scale of

10 -35 m or smaller, the amount of time it would take a photon to cross it would be minuscule:

10 -43 s. On those short timescales, the Heisenberg uncertainty principle tells you that your energy uncertainty is so large, it corresponds (via E = mc²) to a mass of about 22 micrograms: the Planck mass.

The Unfiltered Truth Behind Human Magnetism, Vaccines, And COVID-19

Explained: Why This Week’s ‘Strawberry Moon’ Will Be So Low, So Late And So Luminous

Mars, Venus And A ‘Super Solstice Strawberry Moon’ Sparkle In Twilight: What You Can See In The Night Sky This Week

This visualization shows the fluctuations in the quantum vacuum under the strong interactions. On . [+] smaller distance scales and over smaller timescales, the fluctuations in energy and momentum can be larger. Once you go down to Planck-scale sizes and distances, the fluctuations are indistinguishable from black holes: a clear indication that physics has broken down.

If you had a black hole — a perfect singularity — whose mass was 22 micrograms, how large would its event horizon be? The answer is that same distance scale (the Planck length) you started off with:

10 -35 m. This fact illustrates why physicists say that the laws of reality “break down” at the Planck scale: the quantum fluctuations that must spontaneously occur are so large in magnitude, on scales so minuscule, that they’re indistinguishable from black holes.

But those black holes would immediately decay, as the evaporation time due to Hawking radiation would be less than the Planck time:

10 -43 s. We know that the laws of physics we have, both in quantum physics and in General Relativity, cannot be trusted on these small distance scales or on these tiny timescales. If that’s true, then we cannot accurately describe, with those same equations, a black hole whose mass is 22 micrograms or lower. That’s the quantum lower limit for how small a black hole can be in our Universe. Below it, any assertion we could make would be physically meaningless.

When a black hole is created of a very small mass, quantum effects arising from the curved spacetime . [+] near the event horizon will cause the black hole to rapidly decay via Hawking radiation. The lower the mass of the black hole, the more rapid the decay is.

Black holes below a certain mass would all have evaporated away by now. One of the remarkable lessons from applying quantum field theory in the space around black holes is this: black holes aren’t stable, but will emit energetic radiation, eventually leading to their complete evaporation. This process, known as Hawking radiation, will someday cause every black hole within the Universe to evaporate.

Although there’s a lot of confusion around why this happens — much of which can be traced back to Hawking himself — the key things you must understand are that:

  1. the radiation is caused by the difference in spacetime’s curvature near and far away from the black hole’s event horizon,
  2. and that the lower in mass your black hole is, the smaller its event horizon is, and therefore the larger the spatial curvature is at that critical location in space.

As a result, lower-mass black holes evaporate more quickly than higher-mass ones. If our Sun were a black hole, it would take 10 67 years to evaporate if the Earth were one, it would evaporate much more quickly: in just

10 51 years. Our Universe, since the hot Big Bang, has existed for about 13.8 billion years, meaning any black holes less massive than

10 12 kg, or around the mass of all the humans on Earth combined, would already have evaporated away entirely.

Just as a black hole consistently produces low-energy, thermal radiation in the form of Hawking . [+] radiation outside the event horizon, an accelerating Universe with dark energy (in the form of a cosmological constant) will consistently produce radiation in a completely analogous form: Unruh radiation due to a cosmological horizon.

ANDREW HAMILTON, JILA, UNIVERSITY OF COLORADO

Black holes below about

2.5 solar masses probably don’t exist. According to the laws of physics as we understand them, there are only a few ways that a black hole can be formed. You can take a large chunk of matter and let it gravitationally collapse if there’s nothing to stop or slow it down, it could collapse directly into a black hole. You could, alternatively, let a clump of matter contract down to form a star, and if that star’s core is massive enough, it can eventually implode, collapsing down to form a black hole. Finally, you can take a stellar remnant that didn’t quite make it — like a neutron star — and add mass, either through a merger or accretion, until it becomes a black hole after all.

In practice, we believe all of these methods occur, leading to the formation of the realistic black holes that form in our Universe. But below a certain mass threshold, none of these methods can actually give you a black hole.

The visible/near-IR photos from Hubble show a massive star, about 25 times the mass of the Sun, that . [+] has winked out of existence, with no supernova or other explanation. Direct collapse is the only reasonable candidate explanation.

We’ve seen clumps of matter suddenly “wink out” of existence, like stars that magically disappear. The most logical explanation, as well as the one that best fits the data, is that a fraction of stars do spontaneously collapse into a black hole. Unfortunately, they tend to be on the massive side: dozens of times as massive as our Sun at the very least.

Stars with massive cores do often end their lives in spectacular supernova explosions, where the cores of these stars do implode. If you’re born with about 800% or more of our Sun’s mass, you’re an excellent candidate for going supernova. The stars with less massive cores will eventually form neutron stars, with the more massive ones forming black holes. The heaviest neutron star ever discovered likely formed through this process, weighing in at 2.17 solar masses.

And finally, you can take object that are lighter than black holes — like the aforementioned neutron stars — and either allow them to accrete/siphon mass from a companion, or collide them with another massive, compact object. When they do, there’s a chance they could form a black hole.

Numerical relativity simulation of the last few milliseconds of two inspiraling and merging neutron . [+] stars. Higher densities are shown in blue, lower densities are shown in cyan. The final black hole is shown in gray you can identify the transition from neutron star to black hole by the change in color.

T. Dietrich (University of Potsdam), S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics)]

Although there have been only two neutron star-neutron star mergers ever directly and definitively observed, they’ve been incredibly informative. The second one, with a combined mass of about 3.4 solar masses, went directly to a black hole. But the first one, which had a combined mass of more like 2.7 solar masses, revealed a far more complex story. For a few hundred milliseconds, this rapidly-spinning, post-merger mass behaved like a neutron star. All of a sudden, however, it switched to behaving like a black hole. After that transition, it never went back.

What we now believe occurred is that there’s a narrow mass range — somewhere between 2.5 and maybe 2.8 solar masses — where a collapsed objects like a neutron star can exist, but it requires a particularly high value for its rotation rate. If it drops below a critical value, and it will change its spin rate as it settles down to a more spherical shape, it will become a black hole. Below that lower value, there are only neutron stars and no black holes. Above that upper value, there are only black holes and no neutron stars. And in between, you can have both, but what you’ll ultimately wind up with depends on how fast the object is spinning.

The most massive black hole binary signal ever seen: OJ 287. This tight binary black hole system . [+] takes on the order of 11-12 years to complete an orbit. Despite making an orbit 1/5th of a light year in size (hundreds of times the Sun-Pluto distance), it should merge in just thousands of years.

What about heavier black holes? Is there a ‘gap’ where no black holes exist? Is there an upper limit to black hole masses? Black holes can get much, much heavier than just a few times the mass of our Sun. Initially, there were theoretical concerns that there might be a “gap” where black holes didn’t exist that appears to conflict with the data we now have after

6 years of advanced LIGO. There was a worry that intermediate mass black holes might not exist, as they’ve proven very difficult to find. However, they now appear to be out there as well, with superior data confidently revealing numerous examples.

There will be a limit to how big they can get, however, although we haven’t hit it just yet. Black holes approaching 100 billion solar masses have been found, and we even have our first candidate for crossing that vaunted threshold. As galaxies evolve, merge, and grow, so too can their central black holes. Far into the future, some galaxies may grow their black holes as large as

100 trillion (10 14 ) solar masses: 1000 times larger than today’s largest black hole. Owing to dark energy, which drives distant galaxies apart in the expanding Universe, we fully expect that no black holes will ever grow substantially larger than this value.

Constraints on dark matter from Primordial Black Holes. There is an overwhelming set of pieces of . [+] evidence that indicate there is not a large population of black holes created in the early Universe that comprise our dark matter.

Fig. 1 from Fabio Capela, Maxim Pshirkov and Peter Tinyakov (2013), via http://arxiv.org/pdf/1301.4984v3.pdf

What about primordial black holes: black holes that formed directly after the Big Bang? This is a sticky one, because there’s no evidence that they exist. Observationally, many constraints have been placed on the idea, which has been around since the 1970s. When the Universe was born, we know some regions were denser than others. If one region was born with a density that was just

68% greater than average, that entire region should inevitably collapse to form a black hole. While their masses can’t be less than

10 12 kg, they could, in theory, have any value that’s larger.

Unfortunately, we have the fluctuations in the cosmic microwave background to guide us. These temperature fluctuations correspond to the overdense and underdense regions in the early Universe, and show us that the overdense regions are only about

0.003% denser than average. It’s true: these are on larger scales than the ones we’d look for black holes on. But with no compelling theoretical motivation for them, and no observational evidence in their favor, this idea remains purely speculative.

When matter collapses, it can inevitably form a black hole. Penrose was the first to work out the . [+] physics of the spacetime, applicable to all observers at all points in space and at all instants in time, that governs a system such as this. His conception has been the gold standard in General Relativity ever since.

Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

For a long time, the very notion of black holes was highly contentious. For about 50 years after they were first derived in General Relativity, no one was sure whether they could physically exist in our Universe. Roger Penrose’s Nobel-winning work demonstrated how their existence was possible just a few years later, we discovered the first black hole in our own galaxy: Cygnus X-1. Now the floodgates are open, with stellar-mass, intermediate-mass, and supermassive black holes all known in great and ever-increasing numbers.

But there’s a lower limit to black holes in the Universe: we believe that none exist below about 2.5 times the mass of the Sun. Additionally, while the heaviest black holes today are right around 100 billion solar masses, they’ll eventually grow to be up to 1000 times as heavy as that. Studying black holes provides us with a unique window into the physics of our Universe and the nature of gravity and spacetime themselves, but they can’t reveal everything. In our Universe, some black holes truly are impossible.


Image astronomique du jour

Découvrez le cosmos ! Chaque jour, une image ou une photographie différente de notre univers fascinant est présentée, accompagnée d'une brève explication écrite par un astronome professionnel.

2021 April 11
When Black Holes Collide
Video Credit & Copyright: Simulating Extreme Spacetimes Collaboration

Explication: What happens when two black holes collide? This extreme scenario occurs in the centers of many merging galaxies and multiple star systems. The featured video shows a computer animation of the final stages of such a merger, while highlighting the gravitational lensing effects that would appear on a background starfield. The black regions indicate the event horizons of the dynamic duo, while a surrounding ring of shifting background stars indicates the position of their combined Einstein ring. All background stars not only have images visible outside of this Einstein ring, but also have one or more companion images visible on the inside. Eventually the two black holes coalesce. The end stages of such a merger is now known to produce a strong blast of gravitational radiation, providing a new way to see our universe.

This Week is: Black Hole Week at NASA
La photo de demain : flame without fire



Commentaires:

  1. Majid Al Din

    Oui, tu es un talent :)

  2. Feldun

    C'est remarquable, ce sont des informations très précieuses

  3. Hrocby

    Vous avez tort. Discutons.

  4. Dustu

    Je sais précisément ce que c'est - une erreur.

  5. Rapere

    Et honnêtement bien fait !!!!

  6. Radite

    I - cette opinion.



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