nous avons repéré des traces de fusions qui pourraient enfin nous aider à prouver leur existence

Les observations de la nature ont tendance à générer des résultats inattendus et de nouveaux mystères – qu’il s’agisse d’enquêter sur la forêt tropicale ou sur l’espace. Lorsque la radioastronomie a pris son essor dans les années 50, nous n'avions aucune idée que cela conduirait à la découverte que les galaxies, y compris la nôtre, semblent avoir des trous noirs d'une taille terrifiante en leur centre, des millions de milliards de fois la masse du soleil.

Quelques décennies plus tard, nous n’avons toujours pas été en mesure de prouver que ces bêtes, appelées trous noirs supermassifs, existent réellement. Mais notre nouvelle recherche, publiée dans les Avis mensuels de la Société royale d’astronomie, pourrait un jour nous aider à le faire.

Les premiers radioastronomes ont découvert que certaines galaxies émettaient des ondes radio (un type de rayonnement électromagnétique). Ils savaient que les galaxies se rencontraient et se fondaient parfois, et se demandaient naturellement si cela pouvait avoir un rapport avec l'émission radio. De meilleures observations, cependant, ont réfuté cette idée au fil des ans.

Ils ont également découvert que les ondes radio étaient émises sous forme de jets étroits, ce qui signifie que l'énergie venait d'une petite région du noyau. La puissance de la radio était en effet énorme – dépassant souvent la luminosité de toutes les étoiles de la galaxie prises ensemble. Diverses suggestions ont été faites sur la manière de produire une telle quantité d’énergie. C’est dans les années 1970 que les scientifiques ont finalement proposé la création d’un trou noir supermassif. Les objets sont aujourd'hui appelés quasars.

Des modèles théoriques ont estimé que ces objets auraient la masse d’une petite galaxie entière concentrée dans un espace comparable à l’orbite terrestre autour du soleil.
Mais comme seules certaines galaxies produisent des explosions énergétiques, il était difficile de savoir à quel point les trous noirs supermassifs seraient courants. Avec l'avènement du télescope spatial Hubble en 1990, les centres des galaxies proches qui n'émettaient pas de sursaut radio pourraient enfin être explorés. Ont-ils aussi des trous noirs supermassifs?

De nombreux astronomes ont constaté que des masses gravitantes influençaient la matière environnante sans émettre de lumière. Même la Voie Lactée a montré un trou noir supermassif au centre, maintenant connu sous le nom de Sgr A *. À ce stade, les astronomes sont devenus de plus en plus convaincus que les trous noirs supermassifs étaient une réalité et pouvaient expliquer de manière plausible les explosions énergétiques extrêmes de certaines galaxies.

Cependant, il n'y a pas encore de preuve définitive. Ceci en dépit du fait que certains trous noirs supermassifs émettent des jets – ceux-ci proviennent de l'environnement du trou noir plutôt que du trou noir lui-même. Alors, comment prouver l'existence de quelque chose de complètement noir? Un trou noir tel que défini par la théorie de la relativité générale d’Einstein est une région de l’espace délimitée par un horizon – une surface à partir de laquelle aucune lumière ni aucun objet matériel ne peut échapper. C’est donc une tâche assez difficile pour les astronomes: ils ont besoin de voir quelque chose qui n’émet rien.

Pour les plus petits trous noirs de la taille d'une masse stellaire, une preuve a bien été trouvée: lorsque deux objets de ce type fusionnent, ils émettent des ondes gravitationnelles, une toute petite oscillation de l'espace enregistrée pour la première fois en 2015. La détection a prouvé l'existence de trous noirs. , qu’ils forment parfois des paires et qu’ils se fondent bien. Ce fut un énorme succès, récompensé par le prix Nobel en 2017.

Nous avons également une bonne compréhension de l’origine des trous noirs de taille normale – c’est ce qui reste après la formation d’une étoile beaucoup plus massive que le soleil à la fin de sa vie. Mais l'existence et l'origine des trous noirs supermassifs sont entourées de mystère.

Trous noirs tournoyants

Nous avons maintenant trouvé des indications selon lesquelles bon nombre des jets radio produits par des trous noirs supermassifs pourraient en fait être le résultat de la formation de paires d'objets en orbite. Nous l'avons fait en comparant les cartes radio observées de leurs régions avec nos modèles informatiques.

La présence d'un deuxième trou noir ferait changer périodiquement la direction des jets produits par le premier sur des centaines de milliers d'années. Nous nous sommes rendus compte que le changement cyclique dans la direction du jet provoquerait une apparence très spécifique dans les cartes radio du centre de la galaxie.

Nous avons trouvé des preuves d'un tel schéma dans environ 75% de notre échantillon de «radio galaxies» (galaxies émettant des ondes radio), ce qui suggère que les paires de trous noirs supermassifs sont la règle et non l'exception. De tels couples devraient en fait se former après la fusion des galaxies. Chaque galaxie contient un trou noir supermassif et, puisqu'elles sont plus lourdes que toutes les étoiles individuelles, elles s'enfoncent au centre de la galaxie nouvellement formée où elles forment d'abord une paire proche et se fondent ensuite sous l'émission d'ondes gravitationnelles.

Notre observation fournit une preuve importante de l’existence de paires de trous noirs supermassifs, mais ce n’est pas non plus une preuve. Ce que nous observons, ce sont toujours les effets que les trous noirs ont indirectement causés. Comme pour les trous noirs normaux, une preuve complète de l’existence de paires de trous noirs supermassifs nécessite la détection des ondes gravitationnelles émises par ces paires.

Les télescopes à ondes gravitationnelles actuels ne peuvent détecter que les ondes gravitationnelles provenant de trous noirs de masse stellaire. La raison en est qu’elles gravitent autour les unes des autres beaucoup plus rapidement, ce qui entraîne la production d’ondes gravitationnelles à haute fréquence que nous pouvons détecter. La prochaine génération d'instruments sera toutefois capable d'enregistrer des ondes gravitationnelles à basse fréquence, potentiellement de paires de trous noirs supermassifs. Cela prouverait enfin leur existence – un demi-siècle après leur première proposition. C’est une période passionnante pour être scientifique.