Crash des titans : très bientôt, une fusion de trous noirs géants aura lieu

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Tic… tic… boum ? Au centre d’une galaxie à 1,2 milliard d’années-lumière de la Terre, les astronomes disent avoir vu des signes que deux trous noirs géants, avec une masse combinée de centaines de millions de Soleils, se préparent à une fusion cataclysmique dès 100 jours à partir de à présent. L’événement, s’il se produisait, serait capital pour l’astronomie, offrant un aperçu d’un mécanisme de croissance des trous noirs, prévu depuis longtemps mais jamais observé. Cela pourrait également déclencher une explosion de lumière à travers le spectre électromagnétique, ainsi qu’une vague d’ondes gravitationnelles et de particules fantomatiques appelées neutrinos qui pourraient révéler des détails intimes de la collision.

Dans cette simulation, une paire de trous noirs supermassifs est sur le point de fusionner, un événement dont les astronomes rêvent d’être témoins. © Goddard Space Flight Center/NASA.

Dès que l’article est apparu la semaine dernière sur le serveur de préimpression arXiv, d’autres astronomes, désireux de confirmer les signaux alléchants, se sont précipités pour sécuriser le temps d’observation du télescope, a déclaré Huan Yang, membre de l’équipe du Perimeter Institute de Waterloo, au Canada. «Nous avons vu des gens agir assez rapidement», dit-il. Emma Kun de l’Observatoire Konkoly à Budapest, en Hongrie, a commencé à parcourir les archives d’observations radio pour confirmer le signal. “Si le boom se produit, cela confirmera beaucoup de choses”, dit-elle.

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Mais la prédiction peut être un mirage. Il n’est pas clair que la galaxie observée contient une paire de trous noirs, et encore moins une paire qui est sur le point de fusionner, dit Scott Ransom de l’Observatoire national de radioastronomie, qui trouve les preuves présentées “assez circonstancielles”. On pense que les trous noirs supermassifs se cachent au cœur de la plupart, sinon de toutes, des galaxies, mais les théoriciens ne savent pas comment ils deviennent si gros. Certains aspirent sporadiquement la matière environnante, la chauffant violemment et faisant briller la galaxie comme un noyau galactique actif (AGN). Mais le filet de matière peut ne pas suffire à expliquer la masse des trous noirs. Ils pourraient prendre du poids plus rapidement grâce aux fusions : après la collision des galaxies, leurs trous noirs centraux deviennent gravitationnellement liés et ils s’enroulent progressivement en spirale.

De telles paires de trous noirs ne sont pas faciles à détecter. Les télescopes à rayons X ont découvert une poignée d’AGN avec deux sources centrales brillantes et séparées, mais les trous noirs putatifs sont distants de centaines d’années-lumière et n’entreraient pas en collision avant des milliards d’années. Une fois qu’ils se sont rapprochés, il est presque impossible de séparer leur lumière avec un télescope. Mais certains AGN s’assombrissent et s’éclaircissent régulièrement, ce qui, selon les astronomes, est un signe qu’ils abritent des paires de trous noirs en orbite qui brassent et chauffent régulièrement le matériau environnant. Certaines de ces oscillations périodiques se sont toutefois estompées, remettant en cause l’interprétation binaire. Les AGN font toutes sortes de choses folles que nous ne comprenons pas”, dit Ransom.

Dans les données d’un télescope de surveillance en Californie appelé Zwicky Transient Facility (ZTF), une équipe dirigée par Ning Jiang de l’Université des sciences et technologies de Chine est tombée sur un AGN périodique appelé SDSSJ1430 + 2303. “Mon premier réflexe a été que cela devait être lié à une paire de trous noirs supermassifs”, déclare Jiang. Ensuite, les chercheurs ont trouvé quelque chose de plus : une tendance qu’ils interprètent comme une paire binaire se rapprochant d’une fusion. Les cycles se raccourcissaient, passant de 1 an à 1 mois en l’espace de 3 ans. C’est “le premier rapport officiel de périodes de décomposition qui se sont réduites avec le temps”, explique Youjun Lu, astrophysicien théoricien aux Observatoires astronomiques nationaux de Chine, qui ne faisait pas partie de l’équipe.

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Les chercheurs ont confirmé l’oscillation d’un mois dans les observations de rayons X de l’observatoire orbital Neil Gehrels Swift de la NASA. Si cette tendance à la baisse se poursuit, les trous noirs, qui, selon Jiang, sont aussi proches les uns des autres que le Soleil l’est de Pluton, fusionneront dans les 100 à 300 prochains jours, rapportent-ils dans l’article, qui n’a pas été revu par des pairs. Si la fusion se concrétise, les observateurs pourraient s’en donner à coeur joie. “Il devrait y avoir une énorme sursaut dans tout le spectre électromagnétique, des rayons gamma à la radio”, déclare Kun. Certains s’attendent également à un flot de neutrinos, que le détecteur IceCube au pôle Sud – 1 kilomètre cube de glace polaire équipé de capteurs de lumière pour détecter les impacts de neutrinos – pourrait capter. Ni l’un ni l’autre, cependant, n’est certain. Certains prédisent un gémissement plutôt qu’un bang. “Nous ne savons vraiment pas à quoi nous attendre”, déclare Ransom.

Le seul signal certain est celui des ondes gravitationnelles, mais les lourdes masses en collision les émettraient à une fréquence trop basse pour être captées par des détecteurs tels que l’Observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser, qui est réglé sur des fusions plus petites. Ils devraient cependant laisser une empreinte sur l’espace-temps lui-même, une sorte de relaxation de la distance et du temps appelée mémoire d’ondes gravitationnelles, qui pourrait être détectée sur de nombreuses années en surveillant les impulsions métronomiques de restes stellaires en rotation appelés pulsars. “C’est un signal très difficile à mesurer”, dit Ransom, “mais ce serait définitif, un pistolet fumant total” de fusion de trous noirs supermassifs.

Mais Ransom est prêt à être déçu. Lui et d’autres soulignent que l’équipe fonde sa prédiction sur seulement une poignée de cycles observés. Le théoricien Daniel D’Orazio de l’Institut Niels Bohr de Copenhague, au Danemark, affirme que certains aspects de la courbe de lumière de l’AGN soulèvent également des doutes. Par exemple, dit-il, les archives de ZTF montrent que SDSSJ1430+2303 manquait d’oscillation périodique dans les années précédant la découverte par l’équipe de Jiang ; son émission faible et régulière ressemblait alors davantage à un AGN standard avec un seul trou noir supermassif. “Pourquoi [l’oscillation] vient-elle de s’allumer maintenant ?” demande D’Orazio. “Je ne sais pas comment cette émission stable correspond aux modèles d’émission binaires”. Les observations des prochains mois devraient montrer si l’oscillation continue de se raccourcir. L’équipe a dû interrompre ses observations en août 2021 lorsque l’orbite terrestre a placé la galaxie lointaine trop près du Soleil pour que les télescopes puissent l’observer en toute sécurité. Les observations ont redémarré en novembre, mais depuis lors, des problèmes techniques ont ralenti ZTF et Swift.

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Andrew Fabian de l’Université de Cambridge fait partie des astronomes qui poursuivront la volonté du feu follet, après avoir demandé du temps sur l’explorateur de composition intérieure de l’étoile Neutron de la NASA, un télescope à rayons X attaché à la Station spatiale internationale. “Si cela est vrai, alors il est important d’obtenir autant d’observations que possible maintenant pour voir ce qu’il fait”, dit-il. Fabian dit que la probabilité qu’une telle fusion ait lieu si près de la Terre au cours d’une année donnée est de une sur 10 000. Il est sceptique quant à l’imminence de l’une, mais dit qu’il vaut la peine de surveiller pendant quelques mois pour voir si la réclamation tient le coup. «Des événements rares se produisent», dit-il.

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