NGC 6240 est une galaxie irrégulière, en forme de papillon ou de homard, composée de deux plus petites galaxies. Le processus de fusion, qui a débuté il y a environ 30 millions d'années, a déclenché une formation spectaculaire d'étoiles et de nombreuses explosions de supernova. La fusion sera complète dans quelques dizaines à quelques centaines de millions d'années. © Nasa, ESA, the Hubble Heritage (STScI-Aura)-ESA-Hubble Collaboration, et A. Evans (University of Virginia, Charlottesville-NRAO-Stony Brook University)

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Des trous noirs supermassifs binaires sur le point de fusionner auraient été détectés

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[EN VIDÉO] Interview : comment mesurer les ondes gravitationnelles ?  Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par Einstein. Il serait possible de les mesurer avec des outils appropriés. L’éditeur littéraire Dunod a interviewé Pierre Binétruy, professeur au laboratoire Astroparticule et Cosmologie de l'université Paris Diderot, afin d’en savoir plus sur ces mystérieuses ondes et sur la façon dont on pourrait les détecter. 

Les galaxies hébergent des trous noirs supermassifs et certains seraient en fait binaires. Onze de ces objets ont peut-être été repérés par leurs émissions périodiques de rayons gamma. L'étude des fusions de trous noirs supermassifs est potentiellement riche en informations, surtout en raison des ondes gravitationnelles qui les accompagnent.

Dans l'interview qu'il avait donné à Futura il y a quelques années, le regretté Pierre Binétruy ne nous avait pas seulement parlé de Gravité ! Du Big Bang aux trous noirs ; son Mooc (Massive open online course) donné avec le prix Nobel de physique George Smoot avait aussi permis de comprendre pourquoi astrophysiciens et cosmologistes sont partis à la poursuite des ondes gravitationnelles.

Une page accompagne ce Mooc (cours gratuit en ligne), expliquant ce que sont les ondes gravitationnelles, comment les détecter par interférométrie et quel détecteur employer). Pierre Binétruy nous avait expliqué l'importance de l'interféromètre spatial eLisa, prévu à l'horizon 2030, pour étudier l'univers gravitationnel d'Einstein. Il l'avait fait en répondant à plusieurs de nos questions. Rappelons quelques uns de nos échanges à ce sujet.

Futura-Sciences : Pourquoi a-t-on besoin de construire un détecteur d'ondes gravitationnelles dans l'espace ?

Pierre Binétruy : Advanced Ligo et Virgo ne sont pas adaptés à la détection des ondes gravitationnelles produites par les collisions de trous noirs supermassifs. Ils ne donnent accès qu'à une partie de l'univers observable. Ce n'est pas le cas d'eLisa qui est particulièrement sensible aux ondes émises par des collisions de trous noirs contenant entre 10.000 et 10 millions de masses solaires et ce, dans quasiment tout le cosmos observable.

Le signal produit par ces collisions permet d'évaluer la masse et le moment cinétique des trous noirs concernés. Or, comme eLisa pourra détecter de tels évènements très anciens, remontant aux premières centaines de millions d'années de l'univers observable, quand étoiles et galaxies commençaient à se former, cet instrument devrait nous permettre de mieux comprendre l'histoire des trous noirs supermassifs. En effet, on devrait pouvoir faire des statistiques sur les masses et les moments cinétiques des populations de trous noirs géants au cours de l'histoire de l'univers.

Les trous noirs massifs, ceux qui ne sont pas produits directement par l'effondrement gravitationnel d'une étoile, croissent en masse en même temps que leur galaxie. On ne sait pas très bien ce que cela signifie. On sait en revanche que les galaxies peuvent entrer en collision et fusionner et il doit donc en être de même pour les trous noirs massifs présents dans leur centre. Des trous noirs supermassifs binaires ont d'ailleurs été repérés dans certaines galaxies notamment grâce aux rayons X.

Un scénario possible est que des trous noirs de plus faible masse prennent naissance au cœur des jeunes galaxies, puis fusionnent successivement quand une galaxie en engloutit une autre. Ces trous noirs peuvent aussi croître en accrétant de la matière de ces galaxies.

Bref, il existe bien des incertitudes sur la naissance de ces trous noirs géants et sur les mécanismes de leur croissance. Comme ils peuvent influencer l'évolution de leur galaxie hôte, par exemple lorsqu'ils deviennent des quasars, eLisa devrait nous aider aussi à comprendre l'histoire des galaxies et donc celle de la Voie lactée.

L'épisode 3 de Gravity Ink explique la technique de détection des ondes gravitationnelles par interférométrie laser avec Ligo, Virgo et surtout eLisa. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ». © Lisa Mission, YouTube

Futura-Sciences : quelles sont les perspectives de découvrir une nouvelle physique avec les ondes gravitationnelles ?

Pierre Binétruy : Advanced Ligo et Virgo, tout comme eLisa, pourraient détecter des ondes émises par des cordes cosmiques qui vibrent. Ces cordes émergent aussi bien de certaines théories de grande unification, qui font intervenir des cousins du champ de Brout-Englert-Higgs, que de la théorie des supercordes. Ces cordes, si elles existent, sont des restes de l'univers très primordial mais qui ont continué à évoluer au cours du temps, des « fossiles actifs » en quelque sorte.

On peut aussi poser des contraintes sur la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles, qui devrait être celle de la lumière, et sur la masse du graviton qui n'est peut-être pas nulle (on vient d'ailleurs de le faire avec le signal détecté par Advanced Ligo en septembre 2015, mais de façon peu précise encore). La vitesse de propagation de ces ondes pourraient dépendre de leurs fréquences. Cela pourrait nous donner des informations sur la structure quantique de l'espace-temps d'une manière similaire à ce que mes collègues et moi avons tenté de faire avec les ondes électromagnétiques observées sous forme de rayons gamma par le satellite Integral.

Mieux, la précision des mesures de eLisa permet de chercher des signes d'une nouvelle physique. Par exemple dans le cadre de certaines théories de la gravitation prolongeant la théorie d'Einstein et dites tenseur-scalaire. Rappelons que des variantes de ces théories ont été proposées pour expliquer l'énergie noire.

Les observations les plus importantes que nous livrera eLisa concernent les ondes gravitationnelles émises par des trous noirs stellaires en orbites rapprochées (les EMRI, pour Extreme Mass Ratio Inspirals) autour d'un trou noir supermassif, c'est-à-dire des astres compacts tournant en spirale de plus en plus rapidement jusqu'à la collision et la fusion.

Ces ondes devraient permettre de cartographier précisément la structure du champ de gravitation tout proche de l'horizon d'un trou noir et même de vérifier l'existence de cet horizon.

La théorie de la relativité générale fait des prédictions bien spécifiques à ce sujet. Ce champ doit être rigoureusement celui d'un trou noir de Kerr en rotation et ne dépendre que de la masse et du moment cinétique du trou noir. C'est le fameux « no hair theorem ». Il ne devrait pas exister autres paramètres enregistrant des informations sur la nature et la structure des objets avalés par un trou noir. C'est d'ailleurs en partie ce qui conduit au fameux paradoxe de l’information de la physique quantique et l'évaporation d'un trou noir selon l'effet Hawking.

Des écarts aux prédictions de la solution de Kerr pourraient donc signifier qu'il faut remettre en cause la théorie de la gravitation d'Einstein ou l'existence même des trous noirs. Il y a eu quelques propositions exotiques à ce sujet, par exemple celle des gravastars. Ou, plus probablement, et c'est plus intéressant encore, eLisa pourrait déceler des effets de gravitation quantique modifiant la structure classique de la solution de Kerr au niveau de l'horizon d'un trou noir qui deviendrait par exemple effective et pas absolue. C'est d'ailleurs ce que laisse plus ou moins entendre la récente controverse sur l'existence d'un « pare-feu » au niveau de cet horizon.

Un ciel gamma où traquer des trous noirs supermassifs binaires

On le voit, les perspectives ouvertes par l'étude des fusions de trous noirs supermassifs sont immenses via leurs émissions d'ondes gravitationnelles. On peut certainement aussi tenter de faire avec ces événements de l'astronomie multimessager en étudiant de possibles émissions associées d'ondes électromagnétiques et de neutrinos.

Ce qui est sûr, c'est que les trous noirs supermassifs accrétant de la matière peuvent être repérés par des émissions de rayons gamma, notamment au niveau de leurs jets de matière comme ceux que l'on observe parfois lorsque ces trous noirs produisent des noyaux actifs de galaxies, tels les quasars et les blazars.

Une présentation de Fermi et de ses découvertes en scrutant le cosmos dans le domaine des rayons gamma. 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

Ainsi, en attendant le lancement d'eLisa, il est déjà possible de poser des jalons pour les découvertes futures et les préparer en repérant des trous noirs supermassifs binaires, ce qui permet déjà au moins de poser des contraintes sur leur population dans le cosmos observable. L'un des outils que la noosphère peut déjà utiliser pour scruter le ciel gamma est le satellite Fermi de la Nasa équipé de l'instrument LAT (Large Area Telescope). C'est ce que vient de montrer un peu plus clairement qu'auparavant une équipe internationale d'astronomes via une publication dans le célèbre The Astrophysical Journal. Comme souvent l'article peut être consulté librement sur arXiv.

Pablo Peñil, auteur principal de l'article et en poste à l'Universidad Complutense de Madrid, en Espagne, explique ainsi dans un communiqué de l'Université Clemson en Caroline du Sud (USA) que « en général, les trous noirs supermassifs sont caractérisés par des masses de plus d'un million de fois celle de notre Soleil. Certains de ces trous noirs supermassifs, connus sous le nom de noyaux galactiques actifs (AGN), se sont avérés accélérer des particules à une vitesse proche de la vitesse de la lumière dans des faisceaux collimatés appelés jets. L'émission de ces jets est détectée sur tout le spectre électromagnétique, mais la majeure partie de leur énergie est libérée sous forme de rayons gamma ».

En général, les AGN se caractérisent par des variations brusques et imprévisibles de luminosité, en particulier dans le domaine gamma. Mais ce n'est pas toujours le cas. Ainsi, en utilisant une décennie d'observations par Fermi avec LAT, l'équipe a débusqué plusieurs sources présentant la répétition de signaux gamma sur des cycles de quelques années. En moyenne, ces émissions se répètent tous les deux ans environ. « Nous avons utilisé neuf années d'observations LAT tout-ciel continues. Parmi les plus de deux mille AGN analysés, seule une douzaine se distingue par cette émission cyclique intrigante », explique aussi dans le communiqué Alberto Domínguez, un collègue de Pablo Peñil. Le chercheur ajoute : « Notre étude représente le travail le plus complet à ce jour sur la recherche de périodicités dans les émissions gamma, une étude qui contribuera à obtenir des informations sur l'origine de ce comportement particulier ».

En l'occurrence, les astrophysiciens pensent qu'ils sont peut-être en présence de 11 trous noirs supermassifs binaires avec des mouvements périodiques induits par les forces de gravitation qu'exerce chaque trou noir sur son compagnon. On peut ainsi imaginer des mouvements de précession conduisant les jets de particules avec des émissions gamma à se comporter un peu comme les faisceaux d'un phare pour les instruments de Fermi.

Mais il faudra encore du travail et d'autres observations avec Fermi pour confirmer cette hypothèse.

  • Les galaxies croissent essentiellement en accrétant des filaments de gaz froids, ce qui fait également croître les trous noirs supermassifs qu'elles abritent.
  • Mais les collisions suivies de fusion jouent aussi un rôle comme le montre la galaxie NGC 6240 qui contient trois trous noirs supermassifs qui fusionneront dans quelques dizaines à quelques centaines de millions d'années.
  • Ces fusions émettent des ondes gravitationnelles que pourra observer au cours des années 2030 la mission eLisa.
  • En attendant, des émissions de rayons gamma périodiques pour des noyaux actifs de 11 galaxies signalent peut-être des trous noirs supermassifs binaires produits par des fusions de galaxies.
  • L'étude des trous noirs supermassifs est potentiellement riches en renseignements de toute sorte.
Pour en savoir plus

Trois trous noirs supermassifs sur le point de fusionner au centre de cette galaxie

Article de Laurent Sacco publié le 27/11/2019

De nouvelles observations montrent que la galaxie irrégulière NGC 6240 ne contient pas deux mais trois trous noirs supermassifs, ce qui ne s'était jamais vu encore. Ce phénomène est porteur d'informations sur la croissance des galaxies.

Comme nous l'expliquait récemment l'astrophysicien Romain Teyssier, il est désormais admis que le processus principal à l'origine de la croissance des galaxies et des trous noirs supermassifs fait intervenir des courants froids d'hydrogène et d'hélium qui semblent canalisés par des filaments de matière noire.

Cela ne veut pas dire pour autant que les collisions suivies de fusions entre galaxies ne jouent aucun rôle alors que l'on pensait initialement qu'il s'agissait du mode essentiel de formation des grandes galaxies. On en connait d'ailleurs de spectaculaires que l'on surprend alors qu'elles viennent juste de former des galaxies irrégulières. L'une des plus célèbres est NGC 6240 ans dans la constellation d'Ophiuchus. Elle est située à environ 400 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Il y a presque 20 ans, les astrophysiciens utilisant le regard perçant dans le domaine des rayons X du télescope Chandra annonçaient y avoir découvert deux noyaux actifs de galaxies alimentés en énergie par deux trous noirs supermassifs.

Aujourd'hui, un article publié dans la revue Astronomy & Astrophysics par une équipe internationale dirigée par des scientifiques de Göttingen et de Potsdam, et que l'on peut trouver en accès libre sur arXiv, révèle que NGC 6240 contient en fait trois trous noirs supermassifs.

La galaxie irrégulière NGC 6240. De nouvelles observations montrent qu'elle abrite non pas deux mais trois trous noirs supermassifs en son noyau. Le trou noir nord (N) est actif et était connu auparavant. La nouvelle image agrandie à haute résolution spatiale montre que la composante sud consiste en deux trous noirs supermassifs (S1 et S2). La couleur verte indique la distribution du gaz ionisé par le rayonnement entourant les trous noirs. La longueur de la barre blanche correspond à 1.000 années-lumière. © P Weilbacher (AIP), Nasa, ESA, the Hubble Heritage (STScI-Aura), ESA-Hubble Collaboration, et A Evans (University of Virginia, Charlottesville-NRAO-Stony Brook University)

Des trous noirs de 90 millions de masses solaires

La découverte s'est faite en utilisant le spectrographe 3D Muse (acronyme de Multi Unit Spectroscopic Explorer) équipant depuis quelques années le Very Large Telescope (VLT) exploité par les astronomes de l'observatoire européen austral au Chili. Les images, obtenues avec une netteté similaire à celle du télescope spatial Hubble au VLT grâce à système d'optique adaptative, contiennent en outre avec Muse un spectre pour chaque pixel. Ces spectres permettent alors la détermination des mouvements et des masses des trous noirs supermassifs dans NGC 6240.

On a déterminé de cette façon que chacun de ces astres compacts contenaient plus de 90 millions de masses solaires -- rappelons que le trou noir super massif de la Voie lactée ne contient lui que 4 millions de masses solaires et que certains trous noirs peuvent en contenir plusieurs dizaines de milliards. Ils occupent une même région de moins de 3.000 années-lumière de diamètre, c'est-à-dire moins d'un centième de la taille totale de la galaxie.

C'est la première fois que l'on observe une telle concentration de trous noirs supermassifs et l'existence d'une collision avec trois galaxies a des implications sur ce que l'on pense de la vitesse de croissance des galaxies. Cette information peut nous aider à comprendre pourquoi on observe des galaxies déjà de grandes tailles dans le cosmos observable alors que celui-ci n'avait pas encore un milliard d'années d'âge après le Big Bang.

La fusion de ces trous noirs produira un jour une onde gravitationnelle puissante, du genre de celle que devrait détecter dans les années 2030 la mission eLisa dans l'espace.

Il y a 6 ans, cette vidéo expliquait les observations faites avec Chandra pour NGC 6240. 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 ». © Chandra X-ray Observatory


NGC 6240: deux coeurs de galaxies sur le point de fusionner !

Article de Laurent Sacco publié le 22/03/2009

NGC 6240 est un remarquable objet astrophysique situé à 400 millions d'années-lumière dans la constellation d'Ophiucus. Spitzer et Hubble nous livrent une nouvelle image spectaculaire de ce qui se révèle être deux galaxies entrées en collision avec leurs cœurs sur le point de fusionner.

Même à l'échelle des galaxies l'Univers est violent et actif. On est désormais bien loin du ciel éternel et incorruptible de la philosophie d'Aristote. Les collisions entre galaxies ne sont en effet par rares et on peut même dire que les grandes galaxies croissent largement en phagocytant les plus petites.

Le satellite Hubble nous a livré une longue liste de galaxies en interaction et parmi elles NGC 6240 est l'un des objets les plus fameux. En effet, on sait aujourd'hui qu'il s'agit de la fusion presque complète de deux galaxies différentes et surtout, comme l'ont montré les observations en rayons X de Chandra, il contient deux trous noirs supermassifs séparés par 3.000 années-lumière et sur le point d'entrer en collision dans quelques millions d'années.

En fait, le phénomène s'est déjà produit puisque nous observons NGC 6240 tel qu'il était il y a 400 millions d'années. Une intense production d’ondes gravitationnelles a donc dû s'y produire mais du fait de leur propagation à la vitesse de la lumière, nous ne le savons pas encore...

De quoi mieux comprendre notre propre galaxie

En attendant, NGC 6240 se classe déjà parmi les objets galactiques dits

ULIRG (Ultra-Luminous Infra-Red Galaxy). Lors de la collision entre ses deux galaxies génitrices, les nuages moléculaires interstellaires, riches en poussières, ont vu leur densité augmenter suffisamment pour que leurs masses de Jeans (qui donne la limite de l'effondrement gravitationnel) passe en dessous de leur masse.

Il en a résulté une fantastique flambée de formation de nouvelles étoiles, lesquelles émettent fortement dans l'infrarouge lors du processus de contraction gravitationnelle des globules de Bok. C'est pourquoi NGC 6240 est des milliers de fois plus lumineux dans le domaine de l'infrarouge que notre Voie lactée.

Spitzer, bientôt à court d'hélium, a donc pu saisir une fantastique image de ces galaxies en cours de fusion. Elle donne une mine d'informations aux astrophysiciens spécialistes de l'évolution des galaxies, offrant de quoi mieux comprendre ces processus de fusion, que même notre Galaxie a subi dans le passé.

Cela se révélera sûrement précieux pour les chercheurs qui analyseront au cours de la décennie suivante les données que livrera la mission Gaia de l'Esa. En fournissant les positions et vitesses radiales de près d'un milliard d'étoiles de la Voie lactée, cette mission devrait nous permettre de faire de l'archéologie galactique et de remonter à l'histoire récente des interactions de notre Galaxie avec ses voisines.

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