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Wise voit peut-être deux trous noirs supermassifs en interaction

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Wise J233237.05-505643.5 est une énigmatique source infrarouge détectée jadis par le Wide-Field Infrared Survey Explorer (Wise). Observée dans le domaine radio, elle se présente comme un noyau actif de galaxie avec un curieux jet en spirale. Selon les chercheurs, il pourrait s'agir de deux trous noirs supermassifs destinés à fusionner. Il s'agirait donc d'un excellent laboratoire pour étudier ce phénomène, que l'on pense relativement fréquent dans l'histoire du cosmos observable.

Deux trous noirs supermassifs avec les disques d'accrétion, en vue d’artiste. Les forces de marée déforment les horizons et les perturbations qu'elles induisent sur les disques sont violentes. Les trous noirs sont sur le point de fusionner, ce qui se traduira par une brusque augmentation de leurs émissions d'ondes gravitationnelles. La source détectée par Wise est probablement un tel objet astrophysique et, si c'est bien le cas, elle subira le même destin. © Nasa

De nos jours, on a peine à croire que l'existence des trous noirs était l'objet de doutes pour une partie de la communauté scientifique au début des années 1960. Il a fallu la clairvoyance de chercheurs comme John Wheeler et Yakov Zel’dovich pour que les travaux théoriques à leur sujet se développent. Nous savons désormais que les trous noirs sont partout dans l'univers, y compris au centre de la Voie lactée. Notre trou noir central est un exemple de ce qu'on appelle des trous noirs supermassifs, qui contiennent entre quelques millions et quelques milliards de masses solaires.

Leur existence au sein de toutes les galaxies pose d'ailleurs des problèmes. On comprend dans les grandes lignes comment se forment les trous noirs stellaires, car comme leur nom l'indique, ils proviennent de l'effondrement gravitationnel d'une étoile.

Un extrait du documentaire associé au projet de multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine, Du Big Bang au Vivant. Jean-Pierre Luminet et Hubert Reeves nous parlent ici des trous noirs, mais bien d'autres sujets sont abordés sur le site. © Groupe ECP

Trou noir avec une spirale de matière relativiste

Bien que l'on puisse faire intervenir des modèles d'étoiles supermassives qui auraient pu se former pendant les premières centaines de millions d'années d'existence de l'univers observable, cela ne suffit pas pour rendre compte des géants que l'on étudie aujourd'hui. Une des hypothèses avancées fait intervenir la croissance de trous noirs massifs par coalescence à l'occasion de la fusion de galaxies. De fait, on observe un lien entre la masse d'un trou noir supermassif et la taille de la galaxie l'abritant. Plus celle-ci est grande, plus le trou noir lui-même a une masse élevée. Surtout, on commence depuis quelque temps à détecter des trous noirs supermassifs binaires.

Une équipe internationale d'astrophysiciens pense d'ailleurs avoir découvert un nouvel exemple de trou noir supermassif binaire, comme les chercheurs l'expliquent dans un article disponible sur arxiv. L'objet qui a intrigué les astrophysiciens s'est d'abord présenté comme une source détectée dans l'infrarouge par les instruments du Wide-Field Infrared Survey Explorer (Wise). Situé à 3,8 milliards d'années-lumière de la Voie lactée, il a reçu dans le catalogue de Wise le nom de Wise J233237.05-505643.5. Observé dans le domaine radio et dans le visible, il apparaît comme un exemple de noyau actif de galaxie (Active Galactic Nucleus, AGN), comme ceux que l'on connaît sous forme de quasars, avec des jets de matière relativistes.

Toutefois, les images radio prises avec l'Australian Telescope Compact Array (ATCA) se sont révélées curieuses. L'un des jets semblait tordu et torsadé, à la façon d'un ruban agité par une gymnaste.

Un laboratoire pour la fusion de deux trous noirs

D'autres anomalies ont aussi été découvertes avec le spectre dans le domaine visible de l'AGN en utilisant les instruments du télescope Gemini South. Les chercheurs ont d'abord cru qu'ils étaient en présence d'une région avec un taux de formation d'étoiles très élevé, mais deux autres hypothèses cadrant mieux avec les observations combinées de Wise, de l'ATCA et du télescope Gemini South ont fini par s'imposer à eux.

Une vue d'artiste montrant les ondulations du tissu de l'espace-temps provoquées par deux trous noirs en train de se rapprocher. Perdant de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, ils finiront par fusionner. © Swinburne Astronomy Productions

L'une d'elles suppose que l'on soit en présence de deux trous noirs supermassifs en interaction rapprochée, l'un perturbant fortement le disque d'accrétion de l'autre, et donc le comportement des jets de matière associés. Mais l'on peut aussi supposer que l'on a affaire à un seul trou noir dont l'axe de rotation, pour une raison inconnue, ne coïncide pas avec celui de son disque d'accrétion.

Si la première hypothèse est la bonne, Wise J233237.05-505643.5 représenterait deux trous noirs destinés à fusionner un jour. En effet, ils doivent être en train de se rapprocher du fait de pertes d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. C'est précisément ce genre de systèmes que l'on se propose d'étudier avec eLisa.

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