Une image composite montrant une collision triple de galaxies, avec le système SDSS J0849+1114, contenant trois trous noirs supermassifs. © Rayon X : Nasa / CXC / George Mason Univ./R. Pfeifle et coll.; visible: SDSS et Nasa / STScI
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Des trous noirs supermassifs doubles et triples débusqués par le télescope spatial Chandra

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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. 

Une équipe d'astronomes a utilisé plusieurs télescopes, dont Chandra, pour examiner les fusions triples de galaxies et savoir ce qu'il advient de leurs trous noirs supermassifs. Ce genre d'étude va aider les astronomes à mieux comprendre le rôle des fusions dans la croissance des galaxies et de leurs trous noirs géants.

La troisième période d'exploitation du LHC (Large Hadron Collider) démarrera début mars 2022. On espère toujours qu'elle permettra de découvrir de la nouvelle physique, ce qui malheureusement n'a pas été le cas alors qu'on avait de bonnes raisons de penser que l'on verrait dans les collisions de protons des particules de matière noire, mieux des minitrous noirs. Il est difficile de ne pas être parfois pessimiste à ce sujet mais une autre fenêtre d'étude pour percer les mystères de la physique et de la cosmologie fondamentale s'est ouverte avec l'essor de l'astronomie gravitationnelle.

Ligo et Virgo ont déjà fait les preuves de leur potentiel en détectant les ondes gravitationnelles de collisions de trous noirs de masses stellaires, et même celles de collisions d'étoiles à neutrons formant des systèmes binaires. On attend beaucoup plus de la détection et de l'analyse des ondes produites par des collisions de trous noirs supermassifs et même de collisions de ces objets avec des trous noirs stellaires, ou des pulsars, sans oublier la mise en évidence d'objets exotiques et spéculatifs comme les cordes cosmiques.

Dans cet extrait de la plateforme TV-Web-cinéma « Du Big Bang au Vivant », qui couvre des découvertes dans le domaine de l'astrophysique et de la cosmologie, Jean-Pierre Luminet nous parle des quasars. © Jean-Pierre Luminet

Combien de sources d'ondes gravitationnelles pour eLisa ?

L'ESA a un programme à ce sujet avec le détecteur dans l'espace nommé eLisa qui devrait entrer en service au cours des années 2030 et pour lequel le regretté Pierre Binetruy avait œuvré avec ses collègues. Mais pour que eLisa ou même son concurrent NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitationnal Waves) connaissent vraiment le succès, il faudrait que les fusions de trous noirs supermassifs ne soient pas rares dans le cosmos observable. En fait, de toute façon, estimer à quel point ces fusions se produisent sera porteur d'information sur l'évolution des galaxies, évolution qui a contribué à produire la noosphère terrestre des milliards d'années après le Big Bang via la naissance et la mort des étoiles.

Nous savons que les trous noirs supermassifs sont bien présents dans la majorité des grandes galaxies. L'on a avancé que le mécanisme fondamental pour les faire croître et produire leur allumage sous forme de quasars était justement les collisions entre galaxies suivies de la coalescence des horizons des événements de leurs trous noirs géants. Ces derniers finissaient par chuter vers le centre des galaxies nouvellement formées par fusion sous l'effet d'une sorte de force de friction gravitationnelle engendrée par le champ de gravitation d'un gaz d'étoiles, un phénomène découvert théoriquement par le prix Nobel de physique Subrahmanyan Chandrasekhar.

Mais si des collisions de galaxies sont bien observées, on a des doutes sur l'efficacité de la friction gravitationnelle pour conduire à un nombre important de fusions de trous noirs. De fait, on pense maintenant que les collisions jouent de toute façon un rôle mineur dans la croissance conjointe des galaxies et des trous noirs supermassifs. L'apport de grandes quantités de matière baryonique canalisées par des filaments de matière froide, comme l’avait expliqué à Futura le cosmologiste et astrophysicien Romain Teyssier, serait en fait le phénomène dominant.

Se pose alors la question de savoir si l'on ne risque pas d'être confronté avec eLisa à l'analogue du cauchemar craint avec le LHC, l'absence de détection d'événements significatifs à l'échelle d'une vie humaine.

Une présentation de l'étude des collisions triples de galaxies avec trous noirs supermassifs. 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

Des fusions de trous noirs uniquement avec des collisions galactiques triples ?

On observe bien des trous noirs supermassifs binaires dans les galaxies mais, selon certaines simulations numériques, c'est la présence d'un troisième trou noir supermassif, et donc l'occurrence de collisions galactiques triples, qui permettrait de donner un coup de pouce aux chances d'avoir des fusions de trous noirs supermassifs. Toute la question est donc de savoir si des collisions galactiques triples existent, et si on peut déjà avoir des observations laissant vraiment penser que des collisions de trous noirs supermassifs se produisent bien en les étudiant avec les ondes électromagnétiques, en attendant des signaux gravitationnels.

On observe effectivement depuis un moment des collisions triples de galaxies avec trous noirs et donnant même lieu à des collisions triples de quasars, comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous. Aujourd'hui, des astrophysiciens viennent justement de publier des articles sur arXiv où ils exposent leurs travaux pour estimer les populations de trous noirs supermassifs multiples associés à des collisions de galaxies. Ils ont pour cela mobilisé le regard perçant dans le domaine des rayons X du satellite Chandra, mais aussi les observations dans l'infrarouge conduites avec le satellite Wise, et dans le domaine visible au sol avec le Sloan Digital Sky Survey (SDSS) mais également dans l'espace avec Hubble.

Les chercheurs ont identifié sept fusions triples de galaxies situées entre 370 millions et un milliard d'années-lumière de la Voie lactée. C'est en combinant les observations à plusieurs longueurs d'onde qu'ils ont réussi à prouver que les sources de rayons X associées à ces galaxies devaient bien indiquer des trous noirs supermassifs. En accrétant de la matière, les trous noirs supermassifs peuvent la chauffer à des millions de degrés, ce qui produit des émissions de rayons X, mais de jeunes amas avec des étoiles massives peuvent aussi émettre ces radiations et il fallait s'assurer qu'on ne les confondait pas avec des trous noirs géants.

Il s'est avéré que sur les sept triplets de galaxies en collision, un ne semble pas montrer la présence d'un trou noir et un contient un seul trou noir mais quatre exhibent des trous noirs supermassifs binaires accrétant de la matière, et le dernier contenait bien trois de ces astres géants compacts.

Dans un communiqué, l'astronome Adi Foord de l'Université de Stanford, qui a dirigé l'étude, précise au sujet de cette découverte : «  Il y a eu de nombreuses études sur ce qui arrive aux trous noirs supermassifs lorsque deux galaxies fusionnent. La nôtre est l'une des premières à examiner systématiquement ce qui arrive aux trous noirs lorsque trois galaxies se rencontrent. »

Ce genre d'étude va donc se poursuivre et les statistiques sur les populations de collisions triples de galaxies, avec ou sans trous noirs, livreront donc les informations recherchées, non seulement pour affiner nos modèles d'évolution cosmologique mais aussi l'évaluation de ce que pourra nous apporter eLisa.

Pour en savoir plus

Première observation d'un système triple de quasars

Artcile de Laurent Sacco publié le 24/01/2007

C'est la conclusion surprenante à laquelle est arrivée une équipe d'astronomes du California Institute of Technology et de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en observant trois quasars distants de 10,5 milliards d'années-lumière.

« Les quasars sont des objets plutôt rares dans l'Univers » affirme l'astrophysicien George Djorgovski du fameux Caltech et directeur de l'équipe responsable de la découverte. « En observer deux associés est déjà improbable s'ils sont distribués de façon aléatoire, mais trois...cela ne s'est jamais vu ! » .

Originellement découverts sous forme de sources d'ondes radios, l'observation de leur contrepartie en optique, par Maarten Schmidt, avait stupéfié le monde de l'astronomie. Ils apparaissaient comme de simples étoiles, mais avec un décalage spectral vers le rouge élevé, impliquant une distance de plusieurs milliards d'années-lumière. Au passage, ceci explique que Quasar est l'acronyme de QUAsi Stellar Astronomical Radiosource, aujourd'hui on parle plutôt de QSO pour Quasi Stellar Object.

Or, pour paraître aussi lumineux, la quantité d'énergie libérée devait être gigantesque. Qu'on en juge, cela correspond en général à plusieurs milliers de fois la luminosité d'une galaxie contenant des centaines de milliards d'étoiles ! Comment produire cette énergie quand on sait, de plus, que la source doit se trouver dans un volume de l'ordre de celui du système solaire ?

Il semble n'y avoir qu'une seule possibilité, un trou noir de Kerr en rotation dépassant le million de masses solaires et accrétant du gaz provenant, par exemple, de la disruption d'étoiles par les forces de marée. L'énergie cinétique de rotation du trou noir et celle, gravitationnelle, du gaz chutant vers lui seraient alors converties en rayonnement par un mécanisme de MHD relativiste connu sous le nom de mécanisme de Blandford-Znajek.

Triple quasars observés par les astronomes de l'ESO © S. G. Djorgovski et al., Caltech and EPFL

Mais revenons aux observations. Le quasar LBQS 1429-008 avait été découvert en 1989 dans la constellation de la Vierge par une équipe internationale d'astronomes dirigée par Paul Hewett, du célèbre  Institute of Astronomy de Cambridge en Angleterre. A l'époque, ils avaient aussi observé un autre quasar associé et l'avaient interprété comme un effet de lentille gravitationnelle dédoublant l'image du précédent. Ce phénomène avait été prédit par Albert Einstein dans les années 30 avant d'être observé pour la première fois en 1979. Toutefois d'autres groupes pensaient plutôt y voir là un système binaire de quasars, d'où la reprise des études en utilisant, cette fois-ci, le Very Large Telescope de l'ESO au Chili et le W.M. Keck Observatory au sommet du Mauna Kea à Hawai.

Ce que l'équipe américano-suisse a trouvé, c'est qu'il y avait un troisième quasar associé aux deux précédents, mais beaucoup plus faiblement lumineux. La surprise est venue de la mesure du décalage spectral vers le rouge de ce troisième objet... le même que les deux autres ! La conclusion s'imposait, tous les trois sont à la même distance de nous.

Les astrophysiciens ont alors tenté plusieurs modélisations théoriques pour obtenir les trois images à partir d'effets de lentilles gravitationnelles, en vain. « Nous ne pouvions tout simplement pas reproduire les observations » déclare Frédéric Courbin de l'école polytechnique de Lausanne ? « Il est impossible de reproduire le phénomène à partir des modèles de lentilles les plus raisonnables » ajoute-t-il. Une conclusion renforcée par l'absence de galaxies auxquelles on pourrait imputer un effet de lentille et l'existence de différences faibles, mais significatives, dans le spectre de chacune des trois images de quasars.

« Il ne nous reste plus qu'une seule possibilité, c'est un quasar triple » affirme Georges Meylan aussi de Lausanne. Les distances séparant ces quasars sont alors de 100 000 à 150 000 années-lumière, à peu près la taille de notre Galaxie, la Voie Lactée. « On pense généralement que la source d'énergie des Quasars provient de la chute de gaz sur un trou noir supermassif » explique Djorgovski « C'est ce qui arrive quand deux galaxies entrent en collision et même fusionnent. Or nous observons ce système triple au moment de l'histoire de l'Univers où le taux de collisions était à son maximum ».

Si les interactions entre galaxies sont bien à l'origine de l'activité des quasars, alors, avoir deux quasars proches l'un de l'autre devrait effectivement être plus probable que s'ils étaient répartis de façon complètement aléatoire sur la sphère céleste. Cela expliquerait pourquoi plusieurs groupes ont rapporté un taux apparemment anormal de quasars doubles. Ce qui fait dire à Ashish Mahabal du Caltech « Dans ce cas, nous avons la chance de prendre sur le fait trois galaxies en train d'interagir, un événement rare ».

La multiplication des découvertes de tels systèmes devrait permettre aux astrophysiciens de mieux comprendre, non seulement la formation et l'évolution des galaxies, mais aussi celles des trous noirs supermassifs dans leur bulbe.

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