Une étude, dont les résultats intitulés «Progenitors of low-mass binary black-hole mergers in the isolated binary evolution scenario» ont été publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics, a permis, grâce à plus de 60 000 simulations d’évolutions stellaires, de déterminer les caractéristiques des étoiles à l’origine des fusions de couples de trous noirs de masse inférieure à 10 masses solaires.

Relevons tout d'abord que «la détection en 2015 des premières ondes gravitationnelles par les interféromètres LIGO-Virgo a ouvert la voie à une astronomie nouvelle, multi-messager» puisque, en plus des photons, neutrinos et rayons cosmiques, «les astrophysiciens disposent désormais d’un nouveau messager pour étudier les phénomènes les plus violents de l’Univers: les ondes gravitationnelles émises lors de la déformation de l’espace-temps provoquée par la fusion de trous noirs».

Dans ce nouveau contexte, l'étude ici présentée s'est focalisée sur «les systèmes de deux trous noirs de masse stellaire inférieure à 10 masses solaires en orbite l’un autour de l’autre, appelés binaires de trous noirs», car «les conditions d’évolutions précises qui amènent une binaire d’étoiles à se transformer en trous noirs destinés ensuite à fusionner» restent jusqu'à présent indéterminées bien que le scénario de la naissance d’une binaire de trous noirs soit connu dans les grandes lignes.

En fait, «tout commence avec deux étoiles, souvent massives (d’une masse supérieure à 10 masses solaires), qui naissent dans le même nuage interstellaire». La plus massive va transférer de la matière à la moins massive et finir par s’effondrer et imploser en supernova «en formant le premier trou noir». Ce trou noir et la seconde étoile vont ensuite «s’échanger de nouveau de la matière, avant que la seconde étoile grossisse au point que son enveloppe immerge l’ensemble du système trou noir + étoile», une phase, dite d’enveloppe commune, qui «dure environ une centaine d’années».

Petit à petit, «le trou noir, freiné par cette enveloppe commune de gaz, se rapproche de la seconde étoile, jusqu’à l’éjection de l’enveloppe», la seconde étoile finissant par imploser en supernova et s’effondrer à son tour en trou noir. En dernier lieu, les deux trous noirs gravitent l’un autour de l’autre, pendant 1 milliard d’années environ, «jusqu’au moment où ils fusionnent, en émettant des ondes gravitationnelles détectables par les interféromètres LIGO-Virgo».

Afin de comprendre et retracer la vie de ces couples stellaires, cette étude a analysé de multiples scénarios d’évolution de couples d’étoiles. En imposant  des caractéristiques précises à chacune des étoiles du couple initial (leur masse par exemple)», elle «a utilisé un code numérique public, MESA, capable de simuler l’évolution hydrodynamique stellaire, ainsi que les interactions entre chaque étoile».

L'étude a en premier lieu «reproduit l’évolution de ces couples d’étoiles massives en ajustant les paramètres» intéressants, puis elle a «comparé les résultats obtenus avec les mesures de LIGO-Virgo». Ensuite, ce code a été adapté «pour les besoins de ce problème, afin d’y inclure les étapes liées à la formation du trou noir, et au transfert de masse se produisant pendant la phase d’enveloppe commune».

Au bout du compte, «en partant d’un scénario d’évolution relativement classique (les deux étoiles naissent en même temps dans le même nuage interstellaire)», en quelques mois, «plus de 60 000 simulations hydrodynamiques d’étoiles» ont été réalisées «sur le cluster informatique du laboratoire APC».

Avec la connaissance du nombre d’étoiles formées dans l’Univers et «grâce aux différents paramètres déduits de ces 60 000 simulations qui sont autant de combinaisons de paramètres qui ont pu être testées», cette étude a pu évaluer «combien de trous noirs fusionnent de cette manière dans l’univers proche» et prédire «entre 1,2 et 3,3 détections par an de ce type de fusion de trous noirs de masse inférieure à 10 masses solaires, soit des taux comparables aux événements d'ondes gravitationnelles détectés par LIGO-Virgo lors des premières campagnes d’observation», une concordance qui «confirme l’adéquation des modèles utilisés pour les simulations et permet de dresser un profil plus précis des étoiles à l’origine de ces trous noirs».

Soulignons pour finir que cette étude propose, en outre, «une nouvelle méthode d’identification des progéniteurs des objets compacts, comme les trous noirs ou les étoiles à neutrons, à partir de simulations hydrodynamiques précises d’évolution stellaire, se rapprochant ainsi chaque jour d’une meilleure compréhension des origines des phénomènes gravitationnels parmi les plus violents de notre Univers».