Première observation possible d’un flash lumineux provenant de la fusion de deux trous noirs

Les fusions de trous noirs font partie des événements les plus chaotiques de l’Univers. Leur intensité est telle qu’elles secouent l’espace-temps, produisant des ondes gravitationnelles que des interféromètres comme LIGO et VIRGO peuvent ensuite détecter. Si plusieurs collisions ont déjà été détectées de cette manière, jamais encore un tel phénomène n’avait été accompagné d’un sursaut électromagnétique. Mais récemment, une équipe d’astrophysiciens a peut-être observé pour la première fois un flash lumineux associé à une fusion de trous noirs. 

Le 21 mai 2019, des détecteurs d’ondes gravitationnelles de la collaboration LIGO/Virgo ont capté un signal possible de la fusion de deux trous noirs (S190521g). Cet événement candidat — qui n’a pas encore été confirmé — pourrait être lié à l’illumination d’un quasar éloigné. Sur la base de cette association, l’équipe affirme que la fusion du trou noir s’est produite dans le disque gazeux autour du quasar. Les chercheurs prédisent que l’objet fusionné — supposé être un trou noir ayant une masse d’environ 150 fois celle du Soleil — replongera dans le disque du quasar dans un an environ, créant une deuxième éruption lumineuse.

Les événements de fusion peuvent générer un rayonnement électromagnétique, comme en témoigne la fusion d’étoiles à neutrons de 2017 qui a été vue par de nombreux observatoires. Cependant, on pense que les trous noirs fusionnent dans les cimetières stellaires où il y a peu de gaz ou de poussière qui peuvent chauffer et briller. « L’hypothèse a toujours été qu’il n’y aurait pas d’équivalent électromagnétique au signal d’ondes gravitationnelles de la fusion », déclare Matthew Graham du California Institute of Technology.

Collision de trous noirs dans l’environnement d’un quasar

Mais Graham et ses collègues ont travaillé sur un modèle alternatif dans lequel une fusion de trous noirs se produit dans l’environnement plus encombré d’un quasar — une région lumineuse alimentée par un trou noir supermassif ayant des millions à des milliards de fois la masse du Soleil. La lumière d’un quasar provient d’un disque d’accrétion rempli de gaz chauds et d’autres matériaux tourbillonnant autour du trou noir. Si deux trous noirs de taille stellaire fusionnent dans le disque, ils pourraient remuer le gaz et provoquer un sursaut lumineux du quasar.

Pour tester cette hypothèse, l’équipe a examiné les données d’archives du Zwicky Transient Facility (ZTF) basé en Californie, qui identifie les objets dans le ciel qui changent rapidement de luminosité aux longueurs d’onde visibles. Ils ont comparé le catalogue ZTF avec 21 alertes émises par la collaboration LIGO/Virgo en 2019. Chacune de ces alertes informe les astronomes d’un signal potentiel d’ondes gravitationnelles, y compris les coordonnées approximatives de la source.

Grâce à leur analyse, Graham et ses collègues ont trouvé un flash électromagnétique du quasar qui est apparu dans la même région du ciel que la fusion candidate du 21 mai mais a été retardée de 35 jours. La luminosité des quasars est connue, mais l’équipe a montré que le flash observé n’était pas cohérent avec les variations passées observées dans l’émission de ce quasar. Graham et ses collègues ont également exclu d’autres explications possibles du flash, comme une supernova.

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L’éjection du trou noir nouvellement formé à l’origine du flash lumineux

Le modèle de l’équipe explique ce sursaut comme une fusion de deux trous noirs dans le disque d’accrétion de quasar. Selon le modèle, le trou noir résultant a été propulsé à haute vitesse, créant un front de choc qui a chauffé le gaz le long de son trajet. L’éruption a été retardée de plusieurs semaines par rapport au signal des ondes gravitationnelles, car la lumière a été ralentie par la diffusion dans le disque opaque. À un moment donné, le trou noir se déplaçant rapidement s’est échappé du disque, ce qui expliquerait pourquoi le sursaut s’est terminé après environ 40 jours.

Les chercheurs prédisent que le trou noir orbitera autour du trou noir supermassif central du quasar et reviendra s’écraser sur le disque environ 1.6 an après la fusion. Un tel crash relancerait le sursaut, c’est pourquoi Graham et son équipe prévoient de garder les yeux sur ce quasar pour les prochaines années.

La collaboration LIGO/Virgo n’a pas encore confirmé le type d’événement détecté. Mais Graham et ses collègues estiment que, s’il s’agissait d’une fusion, la masse du trou noir fusionné serait d’environ 150 masses solaires, ce qui serait la plus grande enregistrée à ce jour. Une telle fusion suggère que de multiples événements de fusion précédents ont constitué les deux trous noirs avant leur dernière rencontre. Ce type de construction cumulative pourrait avoir lieu dans un disque de quasar, où de nombreux trous noirs peuvent être concentrés.

Sources : Physical Review Letters