L’ombre d’un couple de trous noirs supermassifs permet de découvrir une nouvelle méthode pour les étudier
En 2019, le monde a été stupéfait par la toute première image d’un trou noir, un monstre d’une masse de 6,5 milliards de soleils au centre de la galaxie Messier 87. L’image a été réalisée grâce à l’Event Horizon Telescope (EHT), un réseau mondial de radiotélescopes synchronisés qui fait office de télescope géant.
GIF d’entête, à partir de l’étude : simulation de l’effet de lentille gravitationnelle dans une paire de trous noirs supermassifs en fusion. (Jordy Devalaar/ Université Columbia)
À présent, des astronomes ont découvert une possible nouvelle méthode pour mesurer les « ombres » de deux trous noirs supermassifs qui sont en train d’entrer en collision. Cela pourrait donner aux chercheurs un moyen plus aisé de mesurer les trous noirs qui sont plus petits que M87 et qui résident dans des galaxies plus lointaines.
Les chercheurs ont mis au point une technique d’imagerie qui repose sur deux conditions : premièrement, il faut deux trous noirs supermassifs en train de fusionner et, deuxièmement, il faut observer la paire ou binaire presque de profil.
Selon le premier auteur de l’étude (lien plus bas), Jordy Davelaar, chercheur à l’université Columbia et au Center for Computational Astrophysics du Flatiron Institute (États-Unis) :
Il a fallu des années et des efforts considérables de la part de dizaines de scientifiques pour obtenir cette image haute résolution des trous noirs de M87. Cette approche ne fonctionne que pour les plus gros et les plus proches trous noirs, la paire au cœur de M87 et potentiellement notre propre Voie lactée.
Cette nouvelle méthode pourrait permettre aux chercheurs d’étudier des trous noirs qui sont actuellement hors de portée des techniques d’imagerie classiques.
Toujours selon Davelaar :
Avec notre technique, vous mesurez la luminosité des trous noirs au fil du temps : vous n’avez pas besoin de résoudre spatialement chaque objet. Il devrait être possible de trouver ce signal dans de nombreuses galaxies.
Cette technique s’appuie sur un signal précédemment caché provenant d’un phénomène bien connu appelé lentille gravitationnelle.
L’attraction gravitationnelle massive d’un trou noir fait que le gaz, la poussière et les particules environnants tombent vers lui et forment une structure en forme de disque qui se réchauffe et émet de la lumière. C’est ce qu’on appelle le disque d’accrétion.
Ci-dessous les différentes “structures” d’un trou noir supermassif (Jet relativiste, horizon des évènements, disque d’accrétion, singularité). (NASA)
Dans les systèmes binaires de trous noirs (deux trous noirs s’orbitant), lorsqu’un trou noir passe devant l’autre, vous pouvez observer (d’un point de vue latéral) un flash lumineux, car l’anneau lumineux autour du trou noir le plus éloigné est agrandi ou « lissé » par le champ gravitationnel du trou noir le plus proche (voir l’animation en entête).
Mais les chercheurs ont découvert un autre signe caché inattendu : un abaissement distinctif de la luminosité de cette éruption qui correspond à la zone d’ombre projetée par l’horizon des événements du trou noir situé derrière.
Image ci-dessous : dans cette simulation d’une fusion de trous noirs supermassifs, le trou noir décalé vers le bleu le plus proche de l’observateur amplifie le trou noir décalé vers le rouge à l’arrière par effet de lentille gravitationnelle. (Jordy Davelaar)
L’horizon des événements est la limite à partir de laquelle rien ne peut échapper à l’attraction gravitationnelle d’un trou noir, pas même la lumière, et lorsque la lentille est placée directement au-dessus du trou noir le plus éloigné, l’ombre de l’horizon des événements est amplifiée.
Dessin illustrant l’effet de lentille gravitationnelle de la lumière engendré par un système binaire de trous noirs supermassifs. (APS/ Carin Cain)
En fonction de la masse des trous noirs et de la proximité de leurs orbites, cette subtile atténuation peut durer de quelques heures à quelques jours. Ainsi, si les scientifiques mesurent la durée de cet assombrissement, ils peuvent estimer la taille et la forme de cette ombre.
Selon le coauteur de l’étude, Zoltán Haiman, professeur d’astronomie à l’université Columbia :
Cette tache sombre nous renseigne sur la taille du trou noir, la forme de l’espace-temps qui l’entoure et la façon dont la matière tombe dans le trou noir près de son horizon.
Les astronomes se sont intéressés à ce domaine de recherche lorsque le télescope spatial Kepler de la NASA, qui recherche des planètes, a détecté, alors qu’il cherchait de minuscules baisses de luminosité correspondant au passage d’une planète devant son étoile (transit), les éruptions d’une paire présumée de trous noirs en fusion au centre d’une galaxie lointaine de l’univers primitif.
Ils ont baptisé cette lointaine galaxie « Spikey » en référence aux pics de luminosité déclenchés par l’effet de lentille et ils ont crée un modèle informatique pour en savoir plus sur elle.
De manière inattendue, cependant, leur paire de trous noirs simulés a également produit une baisse périodique de luminosité chaque fois que l’un d’entre eux se déplaçait devant l’autre. L’équipe a d’abord pensé qu’il s’agissait d’une erreur de codage, mais elle s’est finalement rendu compte que chaque baisse de luminosité correspondait étroitement au temps nécessaire au trou noir le plus proche de l’observateur pour passer devant l’ombre du trou noir situé à l’arrière.
Ils recherchent maintenant d’autres données télescopiques pour confirmer la baisse de luminosité observée dans les données de Kepler et vérifier qu’il y a bien une paire de trous noirs en fusion au centre de Spikey. Si la technique est confirmée, elle pourrait être appliquée à d’autres paires de trous noirs supermassifs en fusion.
Selon Davelaar :
Même si seule une infime partie de ces trous noirs binaires présente les conditions nécessaires pour mesurer l’effet que nous proposons, nous pourrions trouver un grand nombre de ces trous noirs plongeants.
En fait, les chercheurs estiment que ce phénomène devrait être détectable dans environ 1 % des 150 binaires de trous noirs supermassifs candidats découverts jusqu’à présent.
Les deux études sur le sujet publiées dans Physical Review Letters : Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography et Physical Review D : Self-lensing flares from black hole binaries: General-relativistic ray tracing of black hole binaries. Présentées dans APS Physics : Measuring a Black Hole Shadow et sur le site de l’université Columbia : In a Pair of Merging Supermassive Black Holes, a New Method for Measuring the Void.