Les coalescences de trous noirs: un nouvel éclairage sur l'évolution stellaire et la formation stellaire globale – COSMERGE

La détection des ondes gravitationnelles (OG) en 2015 a été qualifiée comme l'une des "découvertes majeures du 21e siècle" par la plupart des revues scientifiques. Les OG ont ouvert une nouvelle fenêtre sur notre univers, à l'intersection de la physique fondamentale et l'astrophysique. La première détection, la fusion de deux trous noirs (TN) de près de 30 masses solaires chacun, était une immense surprise pour le monde astrophysique car tous les TN connus avaient des masses autour de 10-15 masses solaires. Cette découverte a immédiatement soulevé la question : "d'où viennent les fusions de trous noirs ?" On pense que les fusions de TN proviennent de l'évolution d'étoiles binaires massives isolées et d'interactions N-corps dans des amas d'étoiles denses, mais la contribution relative des deux canaux de formation n'est pas claire. En effet, notre connaissance de l'évolution des étoiles massives et de leurs interactions binaires est encore partielle et l'étude des amas est limitée par des conditions initiales incertaines. En raison de leurs conditions initiales différentes et de leurs différents mécanismes d'évolution, les deux canaux de formation n'ont jamais été comparés de manière cohérente et systématique.

En 2022, les prochaines observations Virgo / LIGO (O4) devraient donner lieu à plusieurs centaines de fusions de TN. Avec cet échantillon statistique, nous nous attendons à enfin pouvoir répondre à la question des origines des fusions. Si des modèles précis et des méthodes statistiques appropriées sont utilisés, l'interprétation des OG peut fournir des informations sur les étoiles massives qui ne sont pas accessibles par ailleurs. Le premier objectif de ce project ANR COSMERGE est de déterminer l'importance des 2 mécanismes de formation et les principaux paramètres régissant l'évolution des étoiles binaires massives. Le deuxième objectif de COSMERGE est de déterminer les galaxies hôtes typiques et l'époque de formation des progéniteurs de fusion des TN. Sur la base de nos conclusions quant aux mécanismes et environnements de formation des coalescences, notre objectif final sera de faire des prédictions discriminantes des détections pour les futurs instruments.

La clé de l'interprétation astrophysique des événements OG est la combinaison multidisciplinaire d'une analyse statistique robuste avec des modèles astrophysiques de pointe. Nous utiliserons une simulation cosmologique haute résolution à grande échelle pour modéliser la formation d'étoiles à la fois dans des binaires isolés et des amas d'étoiles, avec une nouvelle technique que nous avons développée au cours des dernières années. En combinaison avec différents modèles de synthèse de population binaire et des simulations pour l'évolution des amas, nous fournirons la première comparaison auto-cohérente et à grande échelle des modèles de fusions de TN dans les amas et les binaires. Ces modèles seront utilisés comme priors pour une analyse bayésienne hiérarchique des détections d'O4, et conduiront à une détermination sûre des principaux canaux menant à des fusions de TN.

Le projet COSMERGE sera porté par Astrid Lamberts, qui embauchera un(e) chercheur(se) postdoctoral(s) et un(e) doctorant(e) au Laboratoire Lagrange à Nice. Astrid Lamberts est l'une des seules astrophysiciennes spécialiste des ondes gravitationnelles en France. Au vu de son expérience des projets de recherche interdisciplinaire, le projet COSMERGE s'appuiera sur l'expertise locale et développera l'astrophysique des OG à Nice. Ce projet améliorera considérablement notre compréhension de l'origine des fusions des trous noirs, ce qui est l'un des principaux objectifs scientifiques des projets Virgo et LIGO. Les résultats de COSMERGE seront importants pour différentes communautés astrophysiques telle que l'évolution des étoiles massives et la formation stellaire globale, et seront également diffusés auprès du grand public.