Une vue d'artiste de deux trous noirs supermassif très rapprochés et en orbite l'un autour de l'autre. © Joshua Valenzuela, UNM

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Deux trous noirs supermassifs dansent l’un autour de l’autre

ActualitéClassé sous :Tour noir binaire , Astronomie , SDSS J171544.05+600835.7

Dans le catalogue des radioastronomes, 0402+379 est une radiogalaxie qui semble posséder deux cœurs. Ce sont deux trous noirs supermassifs et les observations semblent bien montrer qu'ils sont en orbite l'un autour de l'autre.

  • Les mouvements des astres nous renseignent sur la physique de la gravitation et c'est pourquoi il est intéressant d'étudier ceux associés aux trous noirs.
  • Depuis plus d'une décennie, des radioastronomes étudient deux trous noirs supermassifs au cœur d'une galaxie elliptique située à environ 750 millions d'années-lumière du Soleil.
  • Les données accumulées permettent de suivre les mouvements de ces astres et elles suggèrent très fortement qu'ils sont bien en orbite l'un autour de l'autre avec des caractéristiques orbitales que l'on est en train de préciser.

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. 

La découverte des étoiles binaires a permis de tester la loi de la gravitation de Newton en dehors du Système solaire et, longtemps, les mouvements des étoiles de la Voie lactée et dans les autres galaxies sont eux aussi apparus conformes aux équations du fondateur de la physique classique. Ces faits ont fortement contribué à l'idée de lois universelles. Aujourd'hui, les physiciens ont des doutes, comme le prouve le développement de la théorie Mond. La théorie de la relativité générale a aussi remplacé celle de Newton, en renouvelant au passage également le concept de trou noir, déjà entrevu par Michell et Laplace à la fin du XVIIIe siècle.

La théorie d'Einstein peut être testée, avec l'espoir de la dépasser, par l'observation des mouvements d'étoiles autour du trou noir supermassif installé au cœur de la Voie lactée. Elle pourrait aussi être mise à l'épreuve grâce à la détection d'ondes gravitationnelles produites par deux trous noirs supermassifs qui fusionnent ou quand l'un d'eux avale une étoile à neutrons. De tels phénomènes peuvent également servir à mettre à l'épreuve nos idées sur les trous noirs.

Des trous noirs supermassifs sont tapis au cœur des galaxies et nous savons qu'elles fusionnent parfois. On devrait donc détecter des galaxies avec deux trous noirs supermassifs en orbite l'un autour de l'autre, se rapprochant d'abord lentement, mais inexorablement, de leur coalescence. Quelques cas de tels systèmes doubles ont été repérés depuis une dizaine d'années mais ces observations n'étaient pas solides. Il semble qu'il en soit aujourd'hui tout autrement, comme le prouve une récente publication sur arXiv.

Sur cette image obtenue dans le domaine radio par le VLBA, apparaissent les deux trous noirs supermassifs, notés C1 et C2, accrétant de la matière, qu'ils chauffent et qui émet du rayonnement, visible à droite. © Bansal et al., NRAO/AUI/NSF

Des trous noirs supermassifs séparés par 24 années-lumière seulement

Une équipe d'astronomes états-uniens a en effet utilisé le formidable pouvoir de résolution d'un radiotélescope bien connu, le VLBA (Very Long Baseline Array). Il s'agit en fait d'un instrument virtuel qui doit sa vue perçante à la technique de synthèse d'ouverture par interférométrie. Il combine les observations de 10 antennes de 25 mètres chacune, couvrant le territoire américain depuis Sainte-Croix, dans les Îles Vierges (Antilles), jusqu'au Mauna Kea de l'île d'Hawaï, dans l'océan Pacifique. L'ensemble forme l'équivalent d'un radiotélescope dont le diamètre serait de plusieurs milliers de kilomètres.

Le VLBA leur a permis d'étudier patiemment depuis plus d'une décennie la radiogalaxie elliptique connue sous le nom de 0402+379. Elle est située à environ 750 millions d'années-lumière de la Voie lactée et avait déjà fait parler d'elle en 2006 avec l'annonce de la découverte d'un trou noir supermassif binaire dont les deux membres battaient le record de la plus courte distance de séparation pour de tels objets, avec seulement 24 années-lumière environ.

Les chercheurs ont donc affiné les analyses des données collectées sur ce couple et ils confirment aujourd'hui qu'ils sont bien très probablement en orbite. Ses caractéristiques commencent à être bien connues. Les chiffres avancés font état d'une période orbitale d'environ 24.000 ans et d'une masse totale de 15 milliards de masses solaires. Toutefois, trois à quatre ans d'observations sont encore nécessaires pour aboutir à des conclusions fermes.

Les mouvements sont en effet très lents, si l'on peut dire. La performance réalisée par les astronomes avec le VLBA, en résolutions spatiale et temporelle, revient à repérer et mesurer le mouvement d'une grosse fourmi se déplaçant à 1 cm/s à la surface d'une exoplanète en orbite autour de Proxima du Centaure.

Pour en savoir plus

Un plan pour traquer les trous noirs supermassifs binaires

Article de Laurent Sacco publié le 12/08/2011

Les trous noirs supermassifs, au centre des galaxies, se développeraient principalement grâce à la coalescence de trous noirs non stellaires depuis des milliards d'années. Pour étudier ce processus, il faut multiplier les observations de trous noirs massifs binaires dans des galaxies. C'est ce que souhaitent faire des chercheurs du Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology.

On ne sait pas très bien comment sont apparus les premiers trous noirs massifs au cœur des galaxies, tout ce que l'on sait c'est qu'ils croissent de pair avec les galaxies. La théorie standard veut que ce soit à l'occasion de collisions entre galaxies, avec fusion, que la coalescence de leurs trous noirs centraux se produise. Ce serait là le processus le plus efficace pour obtenir les trous noirs supermassifs de plusieurs milliards de masses solaires aujourd'hui observés.

Sur la gauche les observations « brutes » de Chandra pour SDSS J171544.05+600835.7, au milieu une version traitée et à droite un modèle ajusté à ces observations et montrant deux sources distinctes, probablement des trous noirs binaires supermassifs. © Brian Gerke-Greg Madejski

On pense qu'il existe dans certains amas globulaires des trous noirs massifs, ne résultant pas de l'effondrement d'une étoile. Là aussi, lors de collisions entre galaxies, de tels trous noirs pourraient être phagocytés par le trou noir central. De fait, on connaît des exemples de ces trous noirs intermédiaires dans une galaxie. Un autre exemple de galaxie bien connu est NGC 6240, qui contenait elle-même deux trous noirs supermassifs qui nous apparaissent sur le point de fusionner dans des millions d'années.

Toutefois, la théorie voulait que ce soit à l'occasion de ces fusions de galaxies que s'allument les quasars. Les dernières observations montrent que ce n'est pas le cas. Certains éléments nous échappent donc encore dans le processus de croissance des trous noirs supermassifs. Davantage d'observations de galaxies avec des trous noirs formant des systèmes binaires sont donc nécessaires. Une stratégie de recherche a ainsi été mise au point, comportant trois étapes.

Un extrait du documentaire du projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine, Du Big Bang au Vivant. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com, Youtube

Le test des rayons X

La première étape consiste à éplucher les données fournies par le Sloan Digital Sky Survey pour y chercher des caractéristiques spectrales spécifiques de galaxies contenant deux noyaux actifs, c'est-à-dire deux trous noirs centraux en train d'accréter de la matière et émettant en conséquence d'importantes quantités de lumière. Une candidate a été récemment trouvée, la galaxie SDSS J171544.05+600835.

La deuxième étape consiste à affiner les mesures en utilisant les télescopes du Lick Observatory et du Keck Observatory. Dans le cas de la galaxie précédente, elles ont révélé qu'il semblait bien y avoir deux sources importantes de rayonnement séparées par environ 6.800 années-lumière.

La troisième étape, celle qui est décisive, consiste à vérifier que l'on est bien en présence de trous noirs géants sur le point d'accréter du gaz. Pour cela, il faut conduire des observations en rayons X avec Chandra. De fait, une signature qui peut s'interpréter comme la présence d'un trou noir binaire a effectivement été obtenue dans le cas de la galaxie SDSS J171544.05+600835.7. Elle doit être confirmée par d'autres observations de Chandra.