Des astronomes ont repéré une paire de trous noirs supermassifs qui s’achemine vers une collision extrême dont les effets pourraient être détectés par les instruments sur Terre au cours des 100 prochaines années. Si l’on pensait initialement qu’il s’agissait d’un seul trou noir colossal émettant un jet intense, un effet de lentille gravitationnelle a mis au jour un second jet qui s’enroule en cercle autour du premier en formant ce que l’on appelle un « anneau d’Einstein ».
Il est largement admis que les grandes galaxies comme la Voie lactée abritent chacune en leur centre un trou noir supermassif dont la masse est comprise entre plusieurs millions et des milliards de masses solaires. La manière dont ils atteignent de telles tailles demeure cependant mal comprise, car ils ne pourraient difficilement s’expliquer par la seule accrétion du gaz et de la matière qui les entourent. Si tel était le cas, leur croissance nécessiterait un temps considérable.
Les astronomes estiment alors que, plutôt que d’accréter uniquement de la matière, ces objets fusionnent entre eux pour atteindre des tailles supermassives ou ultra-massives. Cette hypothèse est étayée par les fusions et collisions galactiques observées partout dans l’Univers. Il est donc fort probable que les trous noirs supermassifs situés au centre de ces galaxies fusionnent également, se rapprochant progressivement l’un de l’autre avant de ne former qu’un seul objet.
Cependant, les modèles théoriques existants peinent encore à décrire avec précision cette étape de fusion. De plus, aucune paire de trous noirs supermassifs suffisamment proches l’un de l’autre pour indiquer une fusion potentielle en phase avancée n’a encore été détectée avec certitude, malgré la fréquence des collisions galactiques à l’échelle cosmique.
Une étude détaillée récemment publiée dans le Monthly Notices of the Royal Astronomical Society a peut-être repéré l’un de ces systèmes à environ 500 millions d’années-lumière de notre système solaire.
Un second jet de trou noir formant un anneau d’Einstein
L’objet étudié par l’équipe est un blazar situé dans la galaxie Markarian 501 et baptisé Mrk 501. Figurant parmi les objets les plus brillants de l’Univers, les blazars sont des noyaux galactiques actifs projetant des rayonnements à haute énergie détectables sur l’ensemble du spectre électromagnétique et généralement émis par des trous noirs supermassifs.
Cependant, si les blazars sont habituellement générés par de tels objets, Mrk 501 présentait des anomalies. Les données des radiotélescopes indiquaient différentes orientations du jet, ce qui a conduit certains chercheurs à suggérer qu’il pourrait abriter un trou noir binaire supermassif, voire ne pas en contenir.
« Le blazar Mrk 501 continue de poser des questions complexes en astrophysique, principalement en raison des différentes orientations observées aux échelles du parsec et du kiloparsec. La question de savoir si son cœur abrite un trou noir binaire supermassif (SMBBH) est un sujet de débat intense », expliquent les chercheurs de l’étude dans leur rapport.
Pour explorer cette hypothèse, l’équipe a analysé plus de 83 ensembles de données provenant du Very Long Baseline Array, un réseau international comprenant dix puissants radiotélescopes. Ces observations couvrent différentes fréquences radio et ont été collectées sur une période d’environ 23 ans.
Les analyses ont montré qu’au lieu d’un seul jet, le blazar est en réalité composé de deux jets émis par deux trous noirs supermassifs dont la masse est comprise entre 100 millions et un milliard de fois celle du Soleil. « Nous l’avons cherché pendant si longtemps, et ce fut une véritable surprise de pouvoir non seulement observer un second jet, mais aussi suivre son mouvement », indique Silke Britzen, astronome à l’Institut Max-Planck de radioastronomie, en Allemagne, et co-auteure de l’étude, dans un communiqué.
Selon les chercheurs, le premier jet serait dirigé vers la Terre, ce qui expliquerait sa forte luminosité et sa détection précoce. Le second, orienté différemment, s’est révélé plus difficile à identifier. Pour le mettre en évidence, les astronomes ont observé des fluctuations significatives, suggérant notamment qu’il est émis depuis l’arrière du premier trou noir avant de tourner autour de celui-ci dans le sens antihoraire.
« Analyser les données donnait l’impression d’être sur un navire. Tout le système de jets est en mouvement. Un système de deux trous noirs peut expliquer ce phénomène : le plan orbital oscille », explique Silke Britzen.
Au cours de l’une des journées d’observation, le rayonnement du second trou noir est parvenu jusqu’aux radiotélescopes selon une trajectoire si sinueuse qu’il aurait dessiné un anneau d’Einstein. Ces structures correspondent à une forme de mirage gravitationnel, produite lorsque la lumière d’une source est déviée par une lentille gravitationnelle.
Le système binaire de Mrk 501 serait ainsi aligné de manière quasi parfaite, de sorte que l’effet de lentille gravitationnelle du trou noir le plus massif, situé au premier plan, aurait déformé la lumière du jet du second.
La représentation graphique montre la région centrale de la galaxie Mrk 501 à une fréquence de 43 gigahertz sur trois jours différents. Les contours indiquent l’intensité de l’émission, tandis que les cercles gris marquent les régions brillantes au sein du jet, identifiées par modélisation. On peut suivre le mouvement des jets en observant celui de ces régions. Le jet déjà connu (Jet 1, ligne orange) pointant vers la Terre est clairement visible. Le second jet, récemment découvert (Jet 2, bleu), a changé d’aspect en quelques semaines. Ces deux flux de particules proviennent de zones proches l’un de l’autre, au cœur de la galaxie. La position du trou noir associé au Jet 1 est indiquée par une flèche. © S. Britzen
Une fusion colossale d’ici 100 ans
Les variations de luminosité des jets indiqueraient en outre que les deux trous noirs orbitent l’un autour de l’autre en environ 121 jours. Ils sont séparés par une distance comprise entre 250 et 540 fois celle qui sépare la Terre du Soleil — un écart infime à l’échelle cosmique pour des objets d’une telle nature. Selon certains modèles, cette distance pourrait diminuer suffisamment rapidement pour conduire à une fusion d’ici seulement 100 ans.
Les ondes gravitationnelles issues de cette fusion colossale pourraient alors être détectées sur Terre par des instruments spécialisés. Toutefois, compte tenu de leur éloignement, même les dispositifs les plus avancés ne permettraient pas d’observer directement les deux objets comme distincts. En pratique, seul l’effet de lentille gravitationnelle offre aujourd’hui un moyen d’inférer la présence du second trou noir dissimulé derrière le premier.
Néanmoins, leur rapprochement devrait émettre des ondes gravitationnelles à très basses fréquences, potentiellement détectables à l’aide des réseaux de chronométrage de pulsars (PTA).
« Si des ondes gravitationnelles sont détectées, nous pourrions même observer leur fréquence augmenter progressivement à mesure que les deux géants se rapprochent en spirale, ce qui nous offrirait une occasion unique d’assister à la fusion de deux trous noirs supermassifs », conclut le co-auteur de l’étude, Héctor Olivares, de l’Université Radboud de Nimègue, aux Pays-Bas.
