Depuis des décennies, les astronomes savent que les trous noirs supermassifs (SMBH) résident au centre de la plupart des galaxies massives. Ces trous noirs, qui vont de centaines de milliers à des milliards de masses solaires, exercent une puissante influence sur la matière environnante et seraient la cause des noyaux galactiques actifs (AGN). Depuis que les astronomes les connaissent, ils ont cherché à comprendre comment les SMBH se forment et évoluent.
Dans deux études récemment publiées, deux équipes internationales de chercheurs rendent compte de la découverte de cinq paires de trous noirs récemment découvertes au centre de galaxies éloignées. Cette découverte pourrait aider les astronomes à jeter un nouvel éclairage sur la façon dont les SMBH se forment et se développent au fil du temps, sans parler de la façon dont les fusions de trous noirs produisent les ondes gravitationnelles les plus fortes de l'Univers.
Les quatre premiers candidats à double trou noir ont été signalés dans une étude intitulée «AGN enterrés dans les fusions avancées: sélection des couleurs dans l'infrarouge moyen en tant que chercheur double AGN», dirigée par Shobita Satyapal, professeur d'astrophysique à l'Université George Mason. Cette étude a été acceptée pour publication dans The Astrophysical Journal et est récemment apparu en ligne.
La deuxième étude, qui faisait état du cinquième candidat au double trou noir, a été dirigée par Sarah Ellison - professeur d'astrophysique à l'Université de Victoria. Il a récemment été publié au Avis mensuels de la Royal Astronomical Society sous le titre "Découverte d'un double noyau galactique actif avec une séparation de ~ 8 kpc". La découverte de ces cinq paires de trous noirs a été très fortuite, étant donné que les paires sont une découverte très rare.
Comme Shobita Satyapal l'a expliqué dans un communiqué de presse de Chandra:
«Les astronomes trouvent des trous noirs supermassifs uniques dans tout l'univers. Mais même si nous avons prédit qu'ils croissent rapidement lorsqu'ils interagissent, il est difficile de trouver des trous noirs supermassifs doubles.“
Les paires de trous noirs ont été découvertes en combinant les données d'un certain nombre d'instruments au sol et spatiaux différents. Cela comprenait des données optiques du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) et du grand télescope binoculaire au sol (LBT) en Arizona avec des données proche infrarouge de Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) et des données de rayons X de Chandra de la NASA Observatoire aux rayons X.
Pour leurs études, Satyapal, Ellison et leurs équipes respectives ont cherché à détecter les AGN doubles, qui seraient une conséquence des fusions galactiques. Ils ont commencé par consulter les données optiques du SDSS pour identifier les galaxies qui semblaient être en train de fusionner. Les données du levé WISE tout ciel ont ensuite été utilisées pour identifier les galaxies qui présentaient les AGN les plus puissants.
Ils ont ensuite consulté les données du spectromètre imageur CCD avancé (ACIS) de Chandra et du LBT pour identifier sept galaxies qui semblaient être à un stade avancé de fusion. L'étude dirigée par Ellison s'est également appuyée sur les données optiques fournies par le relevé Cartographie des galaxies à proximité à l'observatoire Apache Point (MaNGA) pour localiser l'une des nouvelles paires de trous noirs.
À partir des données combinées, ils ont découvert que cinq des sept galaxies qui fusionnaient abritaient des AGN doubles possibles, qui étaient séparés de moins de 10 kiloparsecs (plus de 30 000 années-lumière). Cela a été mis en évidence par les données infrarouges fournies par WISE, qui correspondaient à ce qui est prédit des trous noirs supermassifs à croissance rapide.
De plus, les données de Chandra ont montré des paires de sources de rayons X étroitement séparées, ce qui est également compatible avec des trous noirs sur lesquels la matière s'accumule lentement. Ces données infrarouges et radiographiques suggèrent également que les trous noirs supermassifs sont enfouis dans de grandes quantités de poussière et de gaz. Comme Ellison l'a indiqué, ces résultats étaient le résultat d'un travail minutieux qui consistait à trier plusieurs longueurs d'onde de données:
«Notre travail montre que la combinaison de la sélection infrarouge avec le suivi aux rayons X est un moyen très efficace de trouver ces paires de trous noirs. Les rayons X et le rayonnement infrarouge sont capables de pénétrer les nuages obscurcissants de gaz et de poussière entourant ces paires de trous noirs, et la vision nette de Chandra est nécessaire pour les séparer ».
Avant cette étude, moins de dix paires de trous noirs en croissance avaient été confirmées sur la base d'études aux rayons X, et c'était principalement par hasard. Ce dernier travail, qui a détecté cinq paires de trous noirs à l'aide de données combinées, a donc été à la fois heureux et significatif. En plus de renforcer l'hypothèse selon laquelle des trous noirs supermassifs se forment à partir de la fusion de petits trous noirs, ces études ont également de sérieuses implications pour la recherche sur les ondes gravitationnelles.
«Il est important de comprendre à quel point les paires de trous noirs supermassifs sont courantes, pour aider à prévoir les signaux des observatoires des ondes gravitationnelles», a déclaré Satyapa. «Avec des expériences déjà en place et de futures à venir en ligne, c'est un moment passionnant pour rechercher des fusions noires en fusion. Nous sommes aux premiers stades d'une nouvelle ère dans l'exploration de l'univers. »
Depuis 2016, un total de quatre cas d'ondes gravitationnelles ont été détectés par des instruments tels que l'observatoire à ondes gravitationnelles d'interféromètre laser (LIGO) et l'observatoire VIRGO. Cependant, ces détections étaient le résultat de fusions de trous noirs où les trous noirs étaient tous plus petits et moins massifs - entre huit et 36 masses solaires.
Les trous noirs supermassifs, en revanche, sont beaucoup plus massifs et produiront probablement une signature d'ondes gravitationnelles beaucoup plus importante à mesure qu'ils continueront à se rapprocher. Et dans quelques centaines de millions d'années, lorsque ces paires finiront par fusionner, l'énergie résultante produite par la masse convertie en ondes gravitationnelles sera incroyable.
À l'heure actuelle, les détecteurs comme LIGO et Virgo ne sont pas en mesure de détecter les ondes gravitationnelles créées par les paires de trous noirs supermassifs. Ce travail est effectué par des réseaux comme l'Observatoire nord-américain de Nanohertz pour les ondes gravitationnelles (NANOGrav), qui s'appuie sur des pulsars millisecondes de haute précision pour mesurer l'influence des ondes gravitationnelles sur l'espace-temps.
L'antenne spatiale proposée pour l'interféromètre laser (LISA), qui sera le premier détecteur d'ondes gravitationnelles spatiales dédié, devrait également aider à la recherche. Entre-temps, la recherche sur les ondes gravitationnelles a déjà énormément bénéficié d'efforts de collaboration comme celui qui existe entre Advanced LIGO et Advanced Virgo.
À l'avenir, les scientifiques prévoient également qu'ils pourront étudier l'intérieur des supernovae grâce à la recherche sur les ondes gravitationnelles. Cela devrait révéler beaucoup de choses sur les mécanismes de la formation des trous noirs. Entre tous ces efforts en cours et les développements futurs, nous pouvons nous attendre à «entendre» beaucoup plus de l'Univers et des forces les plus puissantes à l'œuvre en son sein.
N'oubliez pas de regarder cette animation qui montre à quoi ressemblera la fusion éventuelle de deux de ces paires de trous noirs, gracieuseté de l'Observatoire de rayons X de Chandra:
