Les astronomes mesurent la paire de trous noirs la plus lourde jamais trouvée

À l’aide des données d’archives du télescope Gemini North, une équipe d’astronomes a mesuré la paire de trous noirs supermassifs la plus lourde jamais découverte. La fusion de deux trous noirs supermassifs est un phénomène prédit depuis longtemps, mais jamais observé. Cette paire massive donne des indices sur la raison pour laquelle un tel événement semble si improbable dans l’univers.

Presque toutes les galaxies massives hébergent un trou noir supermassif en leur centre. Lorsque deux galaxies fusionnent, leurs trous noirs peuvent former une paire binaire, ce qui signifie qu’ils sont sur une orbite liée l’un à l’autre. On suppose que ces binaires sont destinés à fusionner, mais cela n’a jamais été observé. La question de savoir si un tel événement est possible est un sujet de discussion parmi les astronomes depuis des décennies.

Dans un récemment publié papier dans Le journal d’astrophysiqueune équipe d’astronomes a présenté un nouvel aperçu de cette question.

L’équipe a utilisé les données du télescope Gemini North à Hawaï, la moitié de l’Observatoire international Gemini exploité par NOIRLab de la NSF, pour analyser un trou noir supermassif binaire situé dans la galaxie elliptique B2 0402+379. Il s’agit du seul trou noir supermassif jamais résolu avec suffisamment de détails pour voir les deux objets séparément, et il détient le record de la plus petite séparation jamais mesurée directement – ​​à peine 24 années-lumière. Bien que cette séparation étroite laisse présager une fusion puissante, une étude plus approfondie a révélé que le couple était bloqué à cette distance depuis plus de trois milliards d’années, soulevant la question : quel est le retard ?

Pour mieux comprendre la dynamique de ce système et sa fusion interrompue, l’équipe s’est penchée sur les données d’archives du spectrographe multi-objets Gemini (GMOS) de Gemini North, qui leur ont permis de déterminer la vitesse des étoiles à proximité des trous noirs.

« L’excellente sensibilité du GMOS nous a permis de cartographier les vitesses croissantes des étoiles à mesure que l’on se rapproche du centre de la galaxie », a déclaré Roger Romani, professeur de physique à l’Université de Stanford et co-auteur de l’article. « Grâce à cela, nous avons pu déduire la masse totale des trous noirs qui y résident. »

L’équipe estime que la masse du binaire est 28 milliards de fois supérieure à celle du soleil, qualifiant ainsi la paire de trous noirs binaires les plus lourds jamais mesurés. Non seulement cette mesure donne un contexte précieux à la formation du système binaire et à l’histoire de sa galaxie hôte, mais elle conforte la théorie de longue date selon laquelle la masse d’un trou noir binaire supermassif joue un rôle clé dans le blocage d’une fusion potentielle.

« Les archives de données de l’Observatoire international Gemini contiennent une mine d’or de découvertes scientifiques inexploitées », déclare Martin Still, directeur du programme NSF pour l’Observatoire international Gemini. « Les mesures de masse de ce trou noir binaire supermassif extrême sont un exemple impressionnant de l’impact potentiel de nouvelles recherches explorant ces riches archives. »

Comprendre comment ce binaire s’est formé peut aider à prédire si et quand il fusionnera, et quelques indices indiquent que la paire se formera via plusieurs fusions de galaxies. La première est que B2 0402+379 est un « amas fossile », ce qui signifie qu’il est le résultat de la fusion d’un amas entier d’étoiles et de gaz en une seule galaxie massive. De plus, la présence de deux trous noirs supermassifs, associée à leur grande masse combinée, suggère qu’ils résultent de la fusion de plusieurs trous noirs plus petits provenant de plusieurs galaxies.

Suite à une fusion galactique, les trous noirs supermassifs n’entrent pas en collision frontale. Au lieu de cela, ils commencent à se lancer une fronde alors qu’ils s’installent sur une orbite liée. À chaque passage, l’énergie est transférée des trous noirs aux étoiles environnantes. Au fur et à mesure qu’ils perdent de l’énergie, les deux paires se rapprochent de plus en plus jusqu’à ce qu’elles ne soient plus qu’à des années-lumière l’une de l’autre, où le rayonnement gravitationnel prend le dessus et fusionne. Ce processus a été directement observé dans des paires de trous noirs de masse stellaire – le premier cas jamais enregistré remonte à 2015 via la détection d’ondes gravitationnelles – mais jamais dans un binaire de type supermassif.

Grâce à de nouvelles connaissances sur la masse extrêmement importante du système, l’équipe a conclu qu’un nombre exceptionnellement grand d’étoiles aurait été nécessaire pour ralentir suffisamment l’orbite du binaire pour les rapprocher aussi près. Ce faisant, les trous noirs semblent avoir rejeté presque toute la matière à proximité, laissant le cœur de la galaxie privé d’étoiles et de gaz. En l’absence de matériel supplémentaire disponible pour ralentir davantage l’orbite de la paire, leur fusion est au point mort dans ses phases finales.

« Normalement, il semble que les galaxies avec des paires de trous noirs plus légères ont suffisamment d’étoiles et de masse pour rapprocher rapidement les deux », a déclaré Romani. « Comme cette paire est si lourde, elle a nécessité beaucoup d’étoiles et de gaz pour faire le travail. Mais le binaire a parcouru la galaxie centrale de cette matière, la laissant bloquée et accessible pour notre étude. »

Il reste encore à déterminer si les deux hommes surmonteront leur stagnation et finiront par fusionner sur des échelles de temps de plusieurs millions d’années, ou s’ils resteront pour toujours dans les limbes orbitaux. S’ils fusionnent, les ondes gravitationnelles qui en résulteront seraient cent millions de fois plus puissantes que celles produites par la fusion de trous noirs de masse stellaire.

Il est possible que la paire puisse conquérir cette distance finale via une autre fusion de galaxies, ce qui injecterait dans le système du matériel supplémentaire, ou potentiellement un troisième trou noir, pour ralentir suffisamment l’orbite de la paire pour fusionner. Cependant, étant donné le statut de B2 0402+379 en tant qu’amas fossile, une autre fusion galactique est peu probable.

« Nous attendons avec impatience les investigations de suivi sur le noyau de B2 0402+379, où nous examinerons la quantité de gaz présente », déclare Tirth Surti, étudiant de premier cycle à Stanford et auteur principal de l’article. « Cela devrait nous permettre de mieux comprendre si les trous noirs supermassifs peuvent éventuellement fusionner ou s’ils resteront bloqués sous forme binaire. »