Extreme mass ratio inspiral

Les binaires spiralantes à rapport de masses extrême (ou EMRIs, pluriel d'EMRI, lui-même acronyme de l'anglais Extreme Mass Ratio Inspiral) sont un type de système binaire dans lequel un objet léger orbite autour d'un objet beaucoup plus massif (d'un facteur 10 000 ou plus), avec une trajectoire spiralante due à l'émission d'ondes gravitationnelles. En particulier, l'exemple le plus courant d'EMRI est celui d'un trou noir stellaire ou d'une étoile à neutrons en orbite autour d'un trou noir supermassif.

L'observation des ondes gravitationnelles émises par des EMRIs est un des objectifs de la mission spatiale LISA, la fréquence de ces signaux (entre 10⁻⁴ et 1 Hz) les rendant inaccessibles aux détecteurs terrestres.

Dans le cadre de la relativité générale, tout système binaire émet des ondes gravitationnelles. L'amplitude de ces ondes dépend de la distance entre les objets ainsi que de leurs masses ; ainsi, elle ne devient significative que pour des objets suffisamment massifs et compacts. Les trous noirs binaires sont un exemple de système capable de produire des ondes gravitationnelles suffisamment intenses pour être détectées. Les EMRIs représentent un autre type de système susceptible d'émettre des ondes gravitationnelles avec une amplitude relativement élevée ; ils sont définis par un rapport de masse très élevé entre les deux objets du système, avec l'un des deux étant 10 000 et 1 000 000 plus massif que l'autre^[1],[2].

Le modèle-type d'EMRI est un trou noir stellaire en orbite autour d'un trou noir supermassif ; l'objet le plus léger pourrait également être une étoile à neutrons ou un objet exotique. Les trous noirs supermassifs se trouvent normalement dans le noyau des galaxies. On distingue plusieurs scénarios possibles ; le plus étudié est le scénario "sec", dans lequel le noyau est relativement dépourvu de gaz, et contient une densité élevée d'objets compacts, qui peuvent être capturés par le trou noir supermassif pour former un EMRI (l'émission d'ondes gravitationnelles permettant une perte d'énergie, entraînant la capture)^[1]. Un autre scénario est la disruption de binaires d'objets compacts par les effets de marée, un des objets étant capturés et l'autre éjecté^[3]. Dans des scénarios plus complexes, l'objet léger pourrait être freiné par la présence de gaz, par exemple dans un disque d'accrétion^[1].

D'autres objets proches des EMRI sont également théorisés, bien que moins étudiés à l'heure actuelle. En particulier, les IMRIs (pour Intermediate) correspondent à des systèmes avec un rapport de masse moins élevé, dans lequel l'objet léger serait un trou noir de masse intermédiaire, plus rares que les trous noirs stellaires^[4]. À l'inverse, les XMRI (pour eXtreme) auraient un rapport de masse encore plus élevé ; l'objet léger serait une naine brune, un type d'objet bien plus abondant mais moins massif, entraînant un signal plus faible qui ne serait détectable que pour notre galaxie ou les galaxies environnantes^[5].

Le signal d'ondes gravitationnelles émis par les EMRIs est situé dans une bande de fréquence entre 10⁻⁴ et 1 Hz (la fréquence maximale étant atteinte juste avant que les objets rentrent en collision). Cette bande de fréquences est inaccessible aux détecteurs d'ondes gravitationnelles terrestres (comme LIGO ou Virgo), qui sont limités par le bruit sismique et le bruit Newtonien (dû aux variations de la gravité terrestre) à basse fréquence. Elle est en revanche accessible aux détecteurs spatiaux, comme le détecteur en projet LISA, qui prévoit d'observer des fréquences de l'ordre du millihertz^[1].

Le signal émis par les EMRIs est relativement difficile à modéliser. En effet, les effets relativistes sont assez importants dans ce type de système, nécessitant de faire appel à des méthodes de relativité numérique (en). Cependant, les techniques usuelles de simulation de binaires de trous noirs fonctionnent principalement à des ratios de masse faibles, et sont mises en défaut par les EMRIs, qui nécessitent de simuler des phénomènes avec des échelles très différentes (masses à la fois grandes et faibles par exemple), rendant compliquée la discrétisation. Des travaux récents arrivent néanmoins à simuler des rapports de masse relativement élevés (~1 000), bien que ce soit seulement sur un faible nombre d'orbites^[6],[7].

Bien que les taux de tels objets soient mal connus, on estime que LISA pourrait observer une cinquantaine d'EMRIs sur une période de 2 ans^[8].

Le principal intérêt pour l'observation des EMRIs est de pouvoir tester la relativité générale. En effet, ce type de système présente des effets relativistes importants ; la possibilité d'observer le signal sur un grand nombre de cycles orbitaux permet de mesurer en détail la géométrie de l'espace-temps aux environs d'un trou noir supermassif. Celle-ci peut être comparée avec celle prédite par la relativité générale (trou noir de Kerr), et identifier une éventuelle déviation^[1].

L'observation de certaines propriétés du signal fournit d'autres possibilités de tests de la relativité générale. Par exemple, l'étude de la polarisation de l'onde pourrait mettre en évidence des polarisations interdites par la relativité générale. Un effet de dispersion, absent dans la relativité générale, pourrait potentiellement être observé^[1].

La mesure des taux d'EMRIs permettrait d'en apprendre plus sur la population d'objets compacts dans les noyaux des galaxies. Elle pourrait aussi aider à établir des limites sur les masses des trous noirs supermassifs dans l'univers, par exemple si un trou noir supermassif relativement léger est observé^[8].

L'observation d'EMRIs pourrait en principe également conduire à la découverte d'objets compacts exotiques, comme les fuzzballs ou les étoiles à bosons^[1].

Les EMRIs ne sont en principe pas associés à une émission d'ondes électromagnétiques. Certains modèles prévoient cependant une possible contrepartie, par exemple lorsqu'un disque d'accrétion est présent^[9],[10]. Dans un tel cas, il serait possible de réaliser des mesures de paramètres cosmologiques comme la constante de Hubble et de la vitesse de la gravité, de manière similaire à celles faites sur des binaires compactes avec les détecteurs actuels^[1].

Malgré une théorisation de leur existence dans la fin des années 1990^[11],[12] (le terme d'EMRI apparaissant dès 2004^[13]), l'étude des EMRIs est un champ de recherche encore jeune, du fait de l'absence de détecteurs capables de les observer à l'heure actuelle. Ils forment cependant une cible importante de la mission LISA, dont le lancement est prévu dans les années 2030^[8].

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