Depuis la première détection des ondes gravitationnelles par l’interféromètre LIGO, les astrophysiciens en savent désormais un peu plus sur le mécanisme de fusion de deux trous noirs. Mais récemment, une équipe internationale d’astrophysiciens a détecté un système triple de trous noirs supermassifs s’apprêtant à entrer en collision au cours de la fusion des galaxies hôtes qui les contiennent. Les observations qui en découleront pourraient aider à solutionner le problème du parsec final.

La distance séparant deux trous noirs d’un système multiple est généralement de plusieurs dizaines de parsecs, et lorsqu’ils s’apprêtent à fusionner, cette distance est considérablement réduite (entre 0.01 et 0.001 pc). Le passage de la distance initiale à la distance finale est appelé le problème du parsec final car, théoriquement, l’énergie transportée par les trous noirs devrait les empêcher de se rapprocher, à moins qu’ils perdent une partie de cette énergie au cours de leur rapprochement.

Le système triple de trous noirs supermassifs observé par une équipe internationale d’astrophysiciens, dont l’étude a été publiée dans la revue The Astrophysical Journal, pourrait offrir une solution potentielle au problème du parsec final. En plus d’être le tout premier système triple de trous noirs identifié à ce jour.

« Nous ne cherchions que des paires de trous noirs à l’époque, et pourtant, grâce à notre technique de sélection, nous sommes tombés sur cet incroyable système » déclare l’auteur principal Ryan Pfeifle, de l’Université George Mason en Virginie. « C’est la preuve la plus solide à ce jour pour un tel système triple consistant en trois trous noirs supermassifs actifs ».

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Images combinées de Chandra (en haut à droite), du HST (centre) et du SDSS (en bas à gauche), du système triple de trous noirs. Crédits : NASA/CXC/George Mason Univ./R. Pfeifle et al. 2019

Une découverte réalisée grâce à l’alliance scientifique de plusieurs instruments

Le parcours a débuté avec le télescope Sloan Digital Sky Survey (SDSS) au Nouveau-Mexique, qui a imagé SDSS J084905.51+111447.2 dans le domaine visible. Les volontaires du projet citoyen-science Galaxy Zoo ont ensuite utilisé ces images pour signaler le système comme une fusion de galaxies en cours.

Les chercheurs ont ensuite examiné les données recueillies par la sonde WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) de la NASA. WISE a détecté beaucoup de rayonnement infrarouge émis par le système au cours d’une phase de fusion durant laquelle plus d’un des trous noirs supermassifs devaient être en train d’accréter rapidement de la matière.

Vidéo expliquant comment les astrophysiciens ont pu détecter le système triple de trous noirs, notamment grâce à Chandra :

De nouvelles observations dans les rayons X et le visible ont confirmé l’hypothèse. L’observatoire à rayons X Chandra de la NASA a détecté de fortes sources de rayons X près de chacun des centres des galaxies fusionnantes, indiquant que de grandes quantités de gaz et de poussière y étaient absorbées, signe de la présence des trous noirs.

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La sonde spatiale Nuclear Spectroscopic Telescope Array de la NASA, ou NuSTAR, a également repéré des traces de gaz et de poussière entourant l’un des trous noirs supermassifs. De plus, les données optiques recueillies par le SDSS et le Large Binocular Telescope en Arizona ont encore renforcé l’hypothèse selon laquelle les trois trous noirs étaient actifs.

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Le concours de plusieurs instruments d’observation, notamment dans le visible et les rayons X, a permis de détecter le système triple de trous noirs situé à 1 milliard d’années-lumière de la Terre. Crédits : NASA/CXC/George Mason Univ./R. Pfeifle et al. 2019

« Grâce à l’utilisation de ces observatoires majeurs, nous avons identifié un nouveau moyen de détecter les trois trous noirs supermassifs. Chaque télescope nous donne un indice différent sur ce qui se passe dans ces systèmes. Nous espérons prolonger notre travail pour trouver plus de systèmes triples en utilisant la même technique » explique Pfeifle.

Fusion de trois trous noirs : une solution potentielle au problème du parsec final ?

La distance entre chaque trou noir supermassif et son plus proche voisin varie de 10’000 années-lumière à 30’000 années-lumière. Mais ces distances vont se réduire, car les trous noirs vont apparemment fusionner, tout comme le font actuellement leurs galaxies hôtes. Les astronomes connaissent déjà plusieurs détails de la fusion des trous noirs grâce aux dernières détections gravitationnelles effectuées par les interféromètres LIGO et Virgo.

Mais, selon les chercheurs, un système triple fonctionne probablement un peu différemment par rapport au duo de fusion traditionnel. Par exemple, la présence à proximité d’un troisième trou noir supermassif devrait permettre à ses deux voisins de se rencontrer beaucoup plus rapidement.

« C’est peut-être une solution à une énigme théorique appelée problème du parsec final, dans laquelle deux trous noirs supermassifs peuvent s’approcher à quelques années-lumière l’une de l’autre, mais nécessitent une poussée supplémentaire pour fusionner en raison de l’énergie qu’ils transportent sur leurs orbites » écrivent les responsables de la mission Chandra. « L’influence d’un troisième trou noir, comme dans SDSS J0849+1114, pourrait enfin les réunir ».

Vidéo récapitulant les travaux des chercheurs ainsi que leurs implications :

Sources : arXiv

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