Le quasar 3C 186 est bien visible sur cette photo et il est décalé du centre de sa galaxie hôte (indiquée par l'ellipse) qui apparait moins lumineuse. © Nasa, Esa, M. Chiaberge (STScI and JHU)

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Un trou noir supermassif éjecté de sa galaxie par des ondes gravitationnelles ?

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Lors d'une fusion de deux trous noirs supermassifs, une sorte de faisceau d'ondes gravitationnelles dont la puissance équivaut à celle de l'explosion de 100 millions de supernovae aurait été émis. En réaction, le trou noir résultant foncerait maintenant à 2.000 km/s à travers sa galaxie hôte.

Interview : un trou noir pourrait-il entrer en collision avec la Terre ?  Un trou noir est une région de l’espace dont rien ne peut s'échapper, pas même la lumière. Il est donc naturel de se demander si ce type d’objet pourrait être une menace pour notre planète. Futura-Sciences a interviewé Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, qui nous répond ici en vidéo. 

3C 186 est un quasar situé à environ 8 milliards d'années-lumière de la Voie lactée. Comme tous les quasars, il s'agit très probablement d'un trou noir supermassif en rotation accrétant d'importantes quantités de gaz. Dans le cas présent, il semble contenir environ un milliard de masses solaires. Comme pour tous les trous noirs supermassifs, on ne sait pas vraiment comment il est né.

Ce qui semble probable, en revanche, c'est qu'il résulte de plusieurs coalescences de trous noirs massifs lorsque les premières galaxies entraient plus fréquemment en collision que de nos jours, ce qui conduisait à des fusions bien plus fréquentes.

Une vidéo sur la découverte de 3C 186. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard

Le quasar s'échappe à 0,5 % de la vitesse de la lumière

Jusque-là, rien d'anormal. Mais comme l'explique un groupe d'astrophysiciens dans un article disponible sur arXiv, 3C 186 apparaît singulier dans les observations combinées de Chandra, en rayons X, et de Hubble, dans le visible et l'infrarouge. En effet, non seulement le quasar n'occupe pas la région centrale de sa galaxie hôte mais il semble de plus foncer à travers elle à une vitesse telle qu'il devrait finir par la quitter.

L'explication la plus naturelle de ce phénomène, théorisée depuis longtemps par les spécialistes de l'astrophysique relativiste est que, lors de la dernière fusion de trous noirs supermassifs à l'origine de 3C 186, une intense émission d'ondes gravitationnelles l'aurait propulsé sur une orbite hyperbolique qui va le conduire dans l'espace intergalactique, à l'intérieur d'un amas de galaxie.

Comme nous l'expliquions dans l'article ci-dessous, ce n'est pas la première fois que des signaux astrophysiques suggèrent la présence d'un trou noir supermassif en cours d'éjection d'une galaxie en raison d'une forte émission asymétrique d'ondes gravitationnelles. Ce genre de phénomène peut se produire lorsque fusionnent deux trous noirs ayant des masses et des moments cinétiques différents. On sait calculer, au moins dans les grandes lignes, ce qui se produit alors et il est possible d'espérer des vérifications directes avec l'observation de fusions de trous noirs supermassifs quand la mission eLisa sera opérationnelle.

3C 186 en quatre étapes. 1- Deux galaxies débutent leur fusion. 2 et 3- Les trous noirs supermassifs de ces galaxies se rapprochent de plus en plus en émettant des ondes gravitationnelles puis ils fusionnent. Si les trous noirs sont différents, il peut, mais c'est rare, se produire une émission asymétrique d'ondes gravitationnelles qui va propulser le trou noir final comme le ferait l'éjection de gaz par une fusée. 4- Le trou noir résultant emporte du gaz avec lui en fonçant dans la galaxie née de la fusion des deux précédentes galaxies et il se comporte comme un quasar. © Nasa, Esa, A. Feild (STScI)

Dans le cas présent toutefois, et selon les astrophysiciens, les observations concernant 3C 186 sont de loin les plus solides et les plus convaincantes concernant l'effet de propulsion d'un trou noir par des ondes gravitationnelles. Cela provient du fait que le quasar a pu être observé dans une grande plage de longueurs d'onde, y compris dans le domaine des ultraviolets

L'analyse de ces observations laisse penser que 3C 186 est à 35.000 années-lumière du centre de sa galaxie hôte et qu'il possède une vitesse telle qu'il pourrait parcourir l'équivalent de la distance de la Terre à la Lune en environ 3 minutes, ce qui correspond en gros à une célérité de l'ordre de 0,5 % de la vitesse de la lumière. Ce n'est pas à proprement parler une vitesse relativiste mais c'est largement suffisant pour que le quasar puisse un jour se libérer de l'attraction de sa galaxie. Il devrait la quitter dans environ 20 millions d'années.

Pour en savoir plus
Cette image d'un champ de galaxies a été prise à l'aide du télescope CFHT dans le visible. Sur la droite, des zooms montrent dans le domaine des rayons X et dans le visible la galaxie contenant CID-42. © Rayon X : Nasa/CXC/SAO/F. Civano et al. ; visible : CFHT, Nasa/STScI

Des trous noirs supermassifs... nomades !

Article de Laurent Sacco publié le 12/06/2012

En analysant dans le visible et dans le domaine des rayons X un étrange objet baptisé CID-42, un groupe d'astrophysiciens est parvenu à une hypothèse spectaculaire. Il pourrait s'agir d'un trou noir supermassif en train de quitter sa galaxie, propulsé par une émission d'ondes gravitationnelles. Si cette théorie est juste, il pourrait donc exister de tels trous noirs nomades entre les galaxies.

Arthur Eddington et Albert Einstein pensaient que l'effondrement gravitationnel d'une étoile devait forcément s'arrêter avant d'atteindre une singularité de densité infinie. Einstein lui-même croyait avoir démontré qu'un amas globulaire d'étoiles ne pouvait pas s'effondrer en devenant plus petit qu'une sphère dont le rayon est donné par la fameuse formule de Schwarzschild.

En langage moderne, Einstein et Eddington pensaient que des trous noirs ne pouvaient pas se former dans l'univers et qu'il s'agissait de simples curiosités mathématiques des équations de la relativité générale, sans application physique au cosmos observable. Chandrasekhar et Oppenheimer étaient d'un avis différent et l'histoire finira par leur donner raison.

Les trous noirs sont parmi les objets les plus opaques de l'univers. Heureusement, ils sont en revanche parmi les plus attractifs, et c'est par leur pouvoir d'attraction démesuré que nous pouvons les détecter. Les trous noirs géants sont les ogres les plus monstrueux du zoo cosmique, mais ils ne sont pas des armes de destruction massive. Les jets de matière qu'ils éjectent auraient contribué à allumer les premières étoiles et à former les premières galaxies. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com/Youtube

Aujourd'hui, on observe des trous noirs partout, notamment sous forme de quasars. On sait même qu'il y en a un au centre de la Voie lactée et qu'il s'apprête à dévorer un nuage de gaz. C'est un exemple de trou noir supermassif. On ne sait pas exactement comment ils se forment, bien qu'on ait de bonnes raisons de penser qu'ils grossissent à l'occasion de collisions galactiques comme celle qui devrait se produire dans quelques milliards d'années entre la galaxie d'Andromède et la Voie lactée.

Des fusions de trous noirs supermassifs

Les deux trous noirs supermassifs qu'elles contiennent devraient former pendant un temps un trou noir binaire tout en spiralant l'une vers l'autre avant de fusionner. La collision s'accompagnera de déformations violentes de la surface de leurs horizons. Le trou noir final se débarrassera des bosselures de son horizon en vibrant, ce qui provoquera l'émission d'ondes gravitationnelles lissant son potentiel de gravitation extérieur. Ayant atteint un état stationnaire, il n'y aura plus alors qu'un seul trou noir de Kerr en rotation.

Observée dans le visible par Hubble, la galaxie présentant une source brillante en rayons X se révèle contenir deux zones brillantes comme si elle était formée de deux noyaux. Des observations plus précises de Chandra ont permis de découvrir que seule la région brillante dans le visible à gauche de la seconde était la source intense de rayons X. © Nasa

Il y a environ 5 ans, des astrophysiciens s'occupant de relativité numérique avaient simulé une telle fusion entre trous noirs, découvrant que si l'émission était asymétrique, l'impulsion emportée par ces ondes gravitationnelles pouvait accélérer l'astre compact final au point de lui faire dépasser la vitesse de libération d'une galaxie. Il ne s'agissait pour le moment que de spéculations, certes bien étayées, d'astrophysique relativiste. Mais une série d'articles publiés sur arxiv laisse entendre que la réalité pourrait bien être, une fois de plus, à la hauteur des équations de la relativité générale.

Des astronomes ont en effet observé dans le domaine des rayons X avec Chandra, ainsi que dans le visible avec Hubble et d'autres télescopes, l'objet baptisé CID-42. Il se trouve dans une galaxie située à environ 4 milliards d'années-lumière de la Voie lactée et qui fait partie de la région de la voûte céleste étudiée dans le cadre du Cosmic Evolution Survey (Cosmos).

Une simulation montrant la collision de deux galaxies spirales avec fusion de leurs trous noirs centraux et éjection du trou noir supermassif résultant. © Laura Blecha/YouTube

Hubble avait indiqué la présence d'une galaxie possédant deux sources lumineuses compactes particulièrement brillantes et des mesures plus précises à l'aide des télescopes du VLT et de Magellan avaient montré que ces deux sources semblaient s'éloigner l'une de l'autre à environ 5 millions de km/h voire plus.

Des trous noirs nomades intergalactiques

Chandra de son côté avait permis de découvrir qu'une intense source de rayons X, CID-42, était associée à une seule des sources lumineuses précédentes. Curieusement, il ne s'agissait pas de celle associée au noyau de la galaxie.

Selon les chercheurs, s'appuyant en plus sur une simulation numérique, le scénario le plus probable pour expliquer ces observations serait bel et bien celui d'une collision galactique ayant produit un trou noir supermassif en train de quitter son lieu de naissance. Propulsé initialement par une émission asymétrique d'onde gravitationnelle à la façon d'une sonde ayant éjecté des gaz, il finira par s'aventurer dans l'espace intergalactique. La seconde source lumineuse brillante serait seulement le bulbe central de la nouvelle galaxie, alors que la source brillant en rayons X serait donc le nouveau trou noir supermassif en train d'accréter de grandes quantités de matière.

Si tel est le cas, il faut probablement en conclure que de la même façon que l'on sait qu'il existe des étoiles et des planètes nomades dans une galaxie, il doit y avoir quelques trous noirs supermassifs nomades invisibles ou presque entre les galaxies dans des amas.