La recherche des trous noirs supermassifs binaires dans les galaxies
Génération des trous noirs supermassifs binaires
Chaque galaxie a un trou noir supermassif au centre, tout comme chaque œuf a un jaune. Mais parfois, les poules pondent des œufs avec deux jaunes. De la même manière, les astrophysiciens qui étudient les trous noirs supermassifs s’attendent à trouver des systèmes binaires – deux trous noirs supermassifs en orbite l’un autour de l’autre – au cœur de certaines galaxies. Les trous noirs sont des régions de l’espace où la gravité est si forte que même la lumière ne peut pas s’échapper de leur proximité. Ils se forment lorsque le noyau d’une étoile massive s’effondre sur lui-même, et ils agissent comme des aspirateurs cosmiques. Les trous noirs supermassifs ont une masse équivalente à un million de fois celle de notre Soleil, voire plus. Des scientifiques comme nous les étudient pour comprendre comment fonctionne la gravité et comment les galaxies se forment. Déterminer si une galaxie a un ou deux trous noirs dans son centre n’est pas aussi facile que de casser un œuf et d’examiner le jaune. Mais mesurer la fréquence à laquelle ces trous noirs supermassifs binaires se forment peut aider les chercheurs à comprendre ce qui se passe lorsque les galaxies fusionnent. Dans une nouvelle étude, notre équipe a examiné des données astronomiques historiques remontant à plus d’une centaine d’années. Nous avons cherché de la lumière émise par une galaxie qui montrerait des signes d’abriter un système de trous noirs supermassifs binaires.
Les collisions galactiques et les ondes gravitationnelles
Les galaxies comme la Voie lactée sont quasiment aussi anciennes que l’univers. Parfois, elles entrent en collision avec d’autres galaxies, ce qui peut conduire à la fusion des galaxies et à la formation d’une galaxie plus grande et plus massive. Les deux trous noirs au centre des deux galaxies en fusion peuvent, lorsqu’ils sont suffisamment proches, former une paire liée par la gravité. Cette paire peut vivre pendant des centaines de millions d’années avant que les deux trous noirs ne fusionnent finalement en un seul. Les trous noirs binaires émettent de l’énergie sous la forme d’ondes gravitationnelles – des ondulations de l’espace-temps que les observatoires spécialisés peuvent détecter. Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière, provoquant l’étirement et le resserrement de l’espace lui-même, comme une vague. Les réseaux de chronométrage de pulsars utilisent des pulsars, qui sont les noyaux denses et lumineux d’étoiles effondrées. Les pulsars tournent très rapidement. Les chercheurs peuvent rechercher des écarts et des anomalies dans le modèle des ondes radio émises par ces pulsars en rotation pour détecter les ondes gravitationnelles. Bien que les réseaux de chronométrage de pulsars puissent détecter le signal collectif des ondes gravitationnelles provenant de l’ensemble des binaires dans les 9 derniers milliards d’années, ils ne sont pas encore assez sensibles pour détecter le signal des ondes gravitationnelles provenant d’un seul système binaire dans une galaxie. Et même les télescopes les plus puissants ne peuvent pas imager ces trous noirs binaires directement. Les astronomes doivent donc utiliser des méthodes indirectes ingénieuses pour déterminer si une galaxie possède un trou noir supermassif binaire en son centre.
À la recherche de signes de trous noirs binaires
Une méthode indirecte consiste à rechercher des signaux périodiques provenant des centres de galaxies actives. Ce sont des galaxies qui émettent beaucoup plus d’énergie que ce que les astronomes pourraient attendre en fonction du nombre d’étoiles, de gaz et de poussière qu’elles contiennent. Ces galaxies émettent de l’énergie depuis leur noyau, ou centre, appelé le noyau galactique actif. Dans un processus appelé accrétion, le trou noir de chaque galaxie active utilise la gravité pour attirer le gaz environnant vers lui. Le gaz s’accélère lorsqu’il se rapproche de l’horizon des événements du trou noir – comme l’eau entourant un tourbillon qui se déplace de plus en plus rapidement en spirale vers l’intérieur. Lorsque le gaz se réchauffe, il brille intensément dans la lumière optique, ultraviolette et X. Les noyaux galactiques actifs sont parmi les objets les plus lumineux de l’univers. Certains noyaux galactiques actifs peuvent émettre des jets, qui sont des faisceaux de particules accélérées près de la vitesse de la lumière. Lorsque ces jets s’alignent avec les lignes de visée de nos observatoires, ils apparaissent extrêmement brillants. Ils sont comme des phares cosmiques. Certains noyaux galactiques actifs présentent des signaux lumineux périodiques qui deviennent lumineux, s’estompent, puis redeviennent lumineux. Ce signal unique pourrait provenir du mouvement cyclique de deux trous noirs supermassifs à l’intérieur, et il suggère aux astronomes de rechercher un système de trous noirs binaires dans cette galaxie.
À la recherche d’un système de trous noirs binaires
Notre équipe a étudié un de ces noyaux galactiques actifs, appelé PG 1553+153. La lumière provenant de cet objet devient plus lumineuse et plus sombre environ tous les 2,2 ans. Ces variations périodiques suggèrent que PG 1553+153 abrite un trou noir supermassif binaire à l’intérieur. Mais un binaire n’est pas la seule explication à cette variation. D’autres phénomènes, tels que les jets instables ou les changements dans l’écoulement de la matière autour du trou noir, pourraient également expliquer ce modèle sans la présence d’un trou noir binaire. Nous avons donc dû les exclure. Pour comprendre si les modèles d’émission de lumière du système PG 1553+153 provenaient d’un trou noir binaire, nous avons simulé comment les trous noirs supermassifs binaires recueillent du gaz. Nos modèles suggéraient que parfois, lorsque les trous noirs attirent le gaz, des amas denses de gaz se forment autour de l’extérieur du trou. Nous avons calculé que le temps qu’il faut à ces amas pour orbiter autour des deux trous noirs devrait être de cinq à dix fois plus long que le temps qu’il faut aux deux trous noirs pour tourner autour l’un de l’autre. Nous avions enfin une prédiction claire que nous pouvions tester. Si un système de trous noirs binaires causait la variation périodique de 2,2 ans dans PG 1553+153, alors nous devrions également pouvoir observer une variation de plus longue durée, environ tous les 10 à 20 ans, lorsque les amas de gaz tournent autour des trous noirs. Mais pour voir s’il s’agissait vraiment d’un modèle, nous devions le voir se répéter pendant quatre à cinq cycles. Pour PG 1553+153, cela correspondrait à 40 à 100 ans. Les astronomes ont observé le ciel pendant des centaines d’années. Mais l’ère de l’astronomie numérique, où les images astronomiques sont enregistrées sur ordinateur et sauvegardées dans des bases de données, est très récente – seulement depuis environ l’an 2000. Avant cela, à partir de 1850 environ, les astronomes enregistraient les images du ciel sur des plaques photographiques. Il s’agit de pièces plates de verre recouvertes d’une couche chimique photosensible traditionnellement utilisée en photographie. De nombreux observatoires du monde entier possèdent des images photographiques du ciel nocturne remontant à plus d’une centaine d’années. Avant cela, les astronomes dessinaient ce à quoi ressemblait le ciel dans leurs carnets de notes. Des projets comme DASCH, Digital Access to a Sky Century at Harvard, ont commencé à numériser des plaques photographiques de quelques observatoires pour les rendre accessibles aux scientifiques et aux non-scientifiques. Notre équipe a découvert que la base de données DASCH fournissait des données sur PG 1553+153 datant de 1900, soit plus de 120 ans. Nous avons utilisé cet ensemble de données pour voir si nous pouvions observer un modèle se répétant tous les 10 à 20 ans. À notre grande surprise, nous avons trouvé un modèle de 20 ans qui ajoute davantage de preuves à notre théorie selon laquelle un système binaire se trouve au cœur de PG 1553+153. La détection de ce second modèle nous a également permis de comprendre que les masses des deux trous noirs supermassifs sont dans une proportion de 2,5:1 – avec l’un étant 2,5 fois plus grand que l’autre – et que leur orbite est presque circulaire. Bien que ces données historiques nous rendent plus confiants qu’il y a deux trous noirs supermassifs dans PG 1553+153, nous ne pouvons toujours pas le dire avec certitude. La confirmation finale devra peut-être attendre que les réseaux de chronométrage de pulsars soient suffisamment sensibles pour détecter les ondes gravitationnelles provenant de PG 1553+153. Cet article a été fourni par The Conversation. Lire l’article original.
