On pense que des trous noirs supermassifs existent au centre de presque toutes les grandes galaxies. Ces énormes objets peuvent peser des millions, voire des milliards de fois, plus lourd que le Soleil, mais les scientifiques ne comprennent pas encore pleinement comment ils atteignent des tailles aussi extraordinaires. Attirer (accumuler) le gaz de leur environnement est un moyen pour eux de gagner de la masse, bien que ce processus à lui seul puisse être trop lent pour expliquer les plus grands exemples. La fusion avec d’autres trous noirs massifs pourrait fournir l’explication manquante.
Les collisions de galaxies sont courantes dans tout l’univers, ce qui rend probable que leurs trous noirs centraux finissent également par se rejoindre. À mesure que deux galaxies fusionnent, leurs trous noirs devraient se rapprocher, commencer à tourner autour l’un de l’autre et progressivement tourner en spirale vers l’intérieur jusqu’à ce qu’ils se combinent en un seul objet.
Malgré cette attente, les scientifiques peinent encore à modéliser les dernières étapes de ces fusions. Plus étonnant encore, les astronomes n’ont pas identifié de manière fiable une paire de trous noirs supermassifs en orbite extrêmement rapprochés, malgré de nombreuses preuves de collisions de galaxies.
Un deuxième jet révèle un trou noir caché
Une équipe de recherche internationale dirigée par Silke Britzen de l’Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) à Bonn a découvert des preuves d’observation directe suggérant qu’une telle paire existe au centre de la galaxie Mrk 501. Les résultats ont été acceptés pour publication dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society et devraient paraître dans un prochain numéro.
Les astronomes savent depuis longtemps que le trou noir central de Mrk 501 produit un jet intense de particules qui se propage dans l’espace à une vitesse proche de celle de la lumière. Ces jets proviennent des conditions extrêmes entourant les trous noirs, où de puissants champs magnétiques contribuent à accélérer la matière vers l’extérieur.
Pour étudier le système, les chercheurs ont examiné des observations radio détaillées collectées à plusieurs fréquences sur des dizaines de jours différents sur environ 23 ans. Le vaste ensemble de données a révélé quelque chose de remarquable : à côté du jet familier se trouvait un deuxième avion dont le mouvement pouvait également être suivi.
Les observations fournissent ce que les chercheurs décrivent comme la première preuve directe par imagerie d’un tel système au centre d’une galaxie, suggérant fortement la présence d’un deuxième trou noir supermassif. Les trous noirs eux-mêmes restent cependant trop rapprochés dans le ciel pour être résolus individuellement.
“Nous l’avons cherché pendant très longtemps, puis nous avons été complètement surpris de pouvoir non seulement voir un deuxième avion, mais même suivre son mouvement”, rapporte Silke Britzen.
Deux trous noirs supermassifs dans une danse cosmique
Le jet précédemment connu est dirigé vers la Terre, ce qui le rend exceptionnellement brillant et relativement facile à observer. Le jet nouvellement identifié pointe dans une direction différente, ce qui explique pourquoi il est resté caché si longtemps.
En seulement quelques semaines d’observations, les astronomes ont remarqué des changements spectaculaires dans la position du deuxième jet. Il a semblé émerger de derrière le plus grand trou noir et balayer autour de lui dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Le mouvement se répétait, suggérant que l’ensemble du système subissait un mouvement orbital régulier.
“L’évaluation des données donne l’impression d’être sur un navire. L’ensemble du système à réaction est en mouvement. Un système de deux trous noirs peut expliquer cela : le plan orbital oscille”, explique Silke Britzen.
Les chercheurs ont également identifié un événement inhabituel en juin 2022, lorsque le rayonnement du système a semblé former un anneau. Ce phénomène, connu sous le nom d’anneau d’Einstein, se produit lorsque la gravité courbe la lumière de manière à créer une apparence annulaire.
Une explication possible est que les deux trous noirs et la Terre ont été brièvement alignés de la bonne manière. Dans cette configuration, la gravité du trou noir au premier plan aurait pu agir comme une lentille, détournant la lumière du deuxième jet situé derrière lui. Cet effet, appelé lentille gravitationnelle, offre un autre indice potentiel sur la nature du système.
Deux trous noirs pourraient fusionner en seulement 100 ans
En examinant les changements dans les jets et les modèles répétitifs de leur luminosité, l’équipe a calculé que les deux trous noirs semblent terminer une orbite l’un autour de l’autre environ tous les 121 jours.
Leur séparation estimée est de seulement 250 à 540 fois la distance entre la Terre et le Soleil. Bien que cela puisse paraître énorme, c’est remarquablement petit pour des objets dont la masse varie de 100 millions à un milliard de fois celle de notre Soleil.
Une orbite aussi étroite pourrait avoir des conséquences dramatiques. En fonction de la masse réelle des trous noirs, leur séparation pourrait se réduire suffisamment rapidement pour qu’ils fusionnent en 100 ans seulement.
Ce serait un compte à rebours exceptionnellement court selon les normes astronomiques, donnant potentiellement aux chercheurs une occasion extraordinaire d’étudier comment les trous noirs supermassifs approchent de leur collision finale.
Les ondes gravitationnelles pourraient révéler une fusion imminente
Malheureusement, Mrk 501 est si éloigné que même les instruments les plus puissants actuels ne peuvent pas distinguer les deux trous noirs en tant qu’objets distincts. Le télescope Event Horizon (EHT), qui a produit les premières images de trous noirs en 2019 et 2022, n’a pas non plus la résolution nécessaire pour capturer cette paire particulière individuellement.
En conséquence, les astronomes ne pourront pas observer directement la diminution de la distance entre les trous noirs. Cependant, une autre méthode pourrait révéler leur approche.
Lorsque des objets massifs tournent autour les uns des autres, ils génèrent des ondes gravitationnelles, de minuscules distorsions dans l’espace-temps qui se propagent vers l’extérieur à travers l’univers. La paire de trous noirs proposée dans Mrk 501 devrait produire des ondes gravitationnelles à extrêmement basse fréquence qui pourraient être détectées à l’aide de réseaux de synchronisation de pulsars (PTA).
Ces réseaux utilisent les impulsions radio remarquablement régulières émises par les étoiles à neutrons en rotation rapide, appelées pulsars, comme horloges cosmiques précises. En mesurant les changements subtils au moment où ces impulsions arrivent sur Terre, les scientifiques peuvent rechercher l’influence du passage des ondes gravitationnelles.
Les trous noirs supermassifs binaires (SMBHB) sont déjà considérés comme la principale explication du fond d’ondes gravitationnelles, un signal persistant qui proviendrait de nombreuses sources lointaines à travers l’univers. En 2023, le réseau européen de synchronisation Pulsar et d’autres collaborations de recherche ont rapporté des preuves de ce contexte.
La découverte de Mrk 501 fait désormais de la galaxie une cible particulièrement prometteuse pour connecter un signal d’onde gravitationnelle à une paire individuelle de trous noirs supermassifs.
Une telle détection pourrait faire plus que confirmer l’existence du système. Cela pourrait permettre aux scientifiques de mesurer l’évolution de l’orbite de la paire et de déterminer si les trous noirs approchent de leur fusion finale.
“Si des ondes gravitationnelles sont détectées, nous pourrions même voir leur fréquence augmenter régulièrement à mesure que les deux géants se dirigent vers une collision, offrant une chance rare d’assister à une fusion de trous noirs supermassifs”, note le co-auteur Héctor Olivares.
