La fusion de deux trous noirs vue pour la première fois au télescope

Crédit : R. Hurt/Caltech
Une éruption lumineuse a-t-elle trahi la fusion de deux trous noirs ? C’est en tout cas l’hypothèse d’une équipe de chercheurs qui a capté l’événement depuis l’observatoire du mont Palomar aux Etats-Unis. L’émission de lumière aurait été produite quand le nouveau trou noir formé par la fusion, animé d’une grande vitesse, aurait traversé le disque gazeux d’un autre trou noir, supermassif, situé au centre d’une galaxie.

Et si la collision de deux trous noirs pouvait produire de la lumière ? C’est très probable, d’après l’étude publiée dans les Physical Review Letters pour expliquer la détection d’une source lumineuse éphémère par le relevé céleste Zwicky Transient Facility (ZTF) depuis l’observatoire du mont Palomar, en Californie. L’équipe de Matthew Graham a fait le rapprochement entre cette observation et la détection d’ondes gravitationnelles survenue 34 jours plus tôt, le 19 mai 2019, et baptisée S190521g. Elle révélerait la collision de deux trous noirs. Les chercheurs font ce rapprochement car les événements ont été détectés tous les deux dans la direction de la galaxie J124942.3+344929. Cette galaxie lointaine rayonne intensément en raison du disque de matière qui entoure son trou noir central de 100 millions de masses solaires. Cette matière, chauffée à proximité de l’astre dense, émet une puissante lumière, ce qui rend la galaxie visible malgré sa distance considérable de 4,6 milliards d’années-lumière.

Matthew Graham, qui a identifié un événement lumineux qui pourrait correspondre à la fusion
de deux trous noirs détectée par des ondes gravitationnelle. Crédit : Caltech univ.

Un nouveau champ d’exploration

Détecter les ondes gravitationnelles provoquées par la fusion de trous noirs n’est possible que depuis 2015. Matthew Graham, professeur d’astronomie au Caltech, explique le principe de ces recherches à la pointe de la physique : « La théorie de la relativité générale d’Einstein indique que deux objets compacts, tels que deux trous noirs de masse stellaire, émettront des ondes gravitationnelles lorsqu’ils fusionneront. Ces ondulations dans l’espace-temps peuvent être détectées avec des instruments extrêmement sensibles sur Terre : les deux interféromètres Ligo, côté américain, et Virgo, côté européen, ont ainsi déjà détecté près de 50 fusions de trous noirs avant celle-ci. »

Vue d'artiste de la fusion de deux trous noirs et des ondes gravitationnelles que le phénomène génère. Crédit : Nasa/CXC/A. Hobart.

La première contrepartie visible liée à la fusion de trous noirs ?

Si l’hypothèse avancée par les chercheurs est juste, leur observation, faite au mont Palomar, constituerait la toute première détection d’une contrepartie visible liée à la fusion d’une paire de trous noirs. À mesure que le couple se tournait autour, à proximité du trou noir supermassif au centre de la galaxie, il a fini par fusionner. Cependant, comme les trous noirs sont complètement obscurs, leur collision n’est en principe pas détectable avec un télescope. En revanche, des théoriciens ont émis l’hypothèse qu’une fusion de trous noirs pouvait produire un signal lumineux en causant le rayonnement d’éléments à proximité. Et il semble bien que ce soit ce qui a été observé en juin 2019.

L’étude explique qu’une fois les trous noirs fusionnés, ils ont formé un nouveau trou noir, plus gros, qui aurait subi comme une sorte de coup de pied qui l’aurait éjecté dans une direction aléatoire. « Lors de la collision, les ondes gravitationnelles créent une sorte d’élan et le nouveau trou noir est projeté en dehors du disque de la galaxie », détaille Matthew Graham.

Dans sa course, l’astre aurait traversé le disque de matière (essentiellement du gaz) qui entoure le trou noir supermassif, créant ainsi le sursaut lumineux observé par ZTF. « À mesure que le nouveau trou noir fend le gaz du disque, un choc thermique se crée : le gaz qui entoure l’astre chauffe et produit cette éruption lumineuse. » Le processus vu ici est violent : le trou noir a été propulsé à 200 km/s sur un milliard de kilomètres au travers du disque, et l’énergie lumineuse observée est de 1044 joules sur une période de 50 jours. C’est plus que toute l’énergie émise par le Soleil en 10 milliards d’années.

La galaxie AGN J124942.3 +344929, dans laquelle s'est produit le sursaut lumineux observé au mont Palomar (ci-dessus), est très lointaine.
Elle n'apparaît que comme une minuscule tache brillante sur les clichés des grands observatoires. Crédit : Aladin/DSS.

L’effet boule de neige avec des trous noirs

« Le “coup d’accélérateur” que subit le nouveau trou noir provient de l’asymétrie des masses des objets qui ont fusionné. Nous estimons la masse de celui-ci à 100-150 masses solaires, ce qui veut dire que les deux trous noirs d’origine devaient eux-mêmes être issus de fusions. En effet, nous pensons que lorsqu’une étoile massive explose en supernova, le trou noir qui en résulte ne peut pas dépasser 50 masses solaires », explique Barry L. McKernan, coauteur de l’étude. Les trous noirs grandissent donc par un effet de boule de neige dans les disques situés au centre de ces galaxies actives.

Il sera intéressant à l’avenir de chercher à voir d’autres phénomènes de ce type car, dans le cas présent, ZTF n’a pas détecté l’événement immédiatement, mais lorsque les scientifiques sont revenus sur ses images archivées quelques mois après.

Le retour du trou noir sous surveillance

Les astronomes auraient aimé pouvoir analyser la lumière de ce phénomène par spectroscopie, mais le temps qu’ils le découvrent dans leurs données (rétrospectivement), il s’était déjà éteint. Un spectre aurait permis de confirmer l’idée que cette éruption lumineuse provient bien de la fusion de trous noirs. Mais ils ne désespèrent pas ! « Le nouveau trou noir devrait effectuer un retour dans le disque d’ici quelques années, car il est toujours en orbite autour du trou noir supermassif au centre la galaxie. Quand cela se produira, nous observerons un nouveau sursaut lumineux permettant de mieux l’étudier. On devra alors jouer les détectives et trouver la densité, la taille et la viscosité nécessaire pour générer un tel dégagement d’énergie », conclut le chercheur.

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