Utiliser les données archivées du télescope Gémeaux Nord, les astronomes ont 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 fournit des indices sur les raisons pour lesquelles un tel événement semble improbable dans l’univers.
Presque toutes les galaxies massives contiennent en leur centre un trou noir supermassif. Lorsque deux galaxies fusionnent, leurs trous noirs peuvent former une paire binaire, c'est-à-dire être sur une orbite liée l'un avec l'autre. On suppose que ces paires binaires sont destinées à fusionner au fil du temps, mais cela n’a jamais été observé. La question de savoir si un tel événement est possible est un sujet de débat parmi les astronomes depuis des décennies.
Les astronomes ont utilisé les données du télescope Gemini North à Hawaï, qui constitue la moitié de l'Observatoire international Gemini géré par le NOIRLab de l'Institut national de physique, pour analyser le trou noir binaire supermassif situé dans la galaxie elliptique B2 0402+379. C’est le seul trou noir binaire supermassif qui a été observé suffisamment en détail pour voir les deux objets séparément, et il détient le record de la distance la plus courte mesurée directement, à seulement 24 années-lumière. Même si une distance aussi proche augure bien d’une fusion puissante, une enquête plus approfondie a révélé que les deux hommes sont bloqués à cette distance depuis plus de trois milliards d’années, ce qui soulève la question suivante : quelle est la raison de ce retard ?
Pour mieux comprendre la dynamique de ce système et sa fusion bloquée, l’équipe s’est tournée vers les données d’archives du spectrographe multi-objets Gemini North (GMOS), qui leur ont permis de déterminer la vitesse des étoiles à proximité des trous noirs.
"La remarquable sensibilité du GMOS nous a permis de cartographier l'augmentation de la vitesse des étoiles à mesure qu'elles s'approchent 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 tirer une conclusion sur la masse totale des trous noirs qui s'y trouvent."
L’équipe estime que la masse du trou noir binaire est 28 milliards de fois celle du Soleil, ce qui en fait le trou noir binaire le plus lourd jamais mesuré. Cette mesure fournit non seulement un contexte précieux pour la formation du système binaire et l’histoire de sa galaxie hôte, mais confirme également la théorie de longue date selon laquelle la masse d’un trou noir binaire supermassif joue un rôle clé pour empêcher une fusion potentielle.
"Les archives de données de l'Observatoire international Gemini contiennent une mine d'or de découvertes scientifiques inexploitées", a déclaré Martin Still, directeur du programme NSF pour l'Observatoire international Gemini. "Mesurer la masse de ce trou noir binaire supermassif est un exemple frappant de l'impact potentiel de nouvelles recherches examinant ces riches archives."
Comprendre comment cette paire binaire s'est formée peut aider à prédire si et quand elle fusionnera : plusieurs indices indiquent que la paire s'est formée à partir de la fusion de plusieurs galaxies. Premièrement, B2 0402+379 est un « amas fossile », c'est-à-dire le résultat de la fusion des étoiles et du gaz d'un amas entier de galaxies en une seule galaxie massive. De plus, la présence de deux trous noirs supermassifs, combinée à leur grande masse combinée, suggère qu’ils se sont formés à partir de la fusion de plusieurs trous noirs plus petits provenant de galaxies différentes.
Après une fusion galactique, les trous noirs supermassifs n’entrent pas en collision frontale. Au lieu de cela, ils commencent à se croiser, s’installant sur une orbite limitée. À chaque passage, l’énergie est transférée des trous noirs aux étoiles environnantes. Perdant de l'énergie, le couple se rapproche de plus en plus jusqu'à ce qu'ils soient à des années-lumière l'un de l'autre, où le rayonnement gravitationnel prend le dessus et ils fusionnent. Ce processus a été directement observé dans des paires de trous noirs de masse stellaire – le premier cas a été enregistré en 2015 grâce à la détection d’ondes gravitationnelles – mais n’a jamais été observé dans des systèmes supermassifs binaires.
Grâce à de nouvelles connaissances sur la masse extrêmement importante du système, l'équipe a conclu qu'il faudrait un très grand nombre d'étoiles pour ralentir suffisamment l'orbite du système binaire et les rapprocher. Au cours de ce processus, les trous noirs semblent avoir éjecté presque toute la matière qui les entoure, laissant le noyau galactique dépourvu d’étoiles et de gaz. Sans plus de matériel pour ralentir davantage l'orbite de la paire, leur fusion s'est arrêtée dans ses dernières étapes.
"Les galaxies avec des paires de trous noirs plus légères semblent généralement avoir suffisamment d'étoiles et de masse pour se rapprocher rapidement", explique Romani. « Parce que cette paire est si lourde, elle a besoin de beaucoup d’étoiles et d’essence pour faire le travail. Mais le binaire a débarrassé la galaxie centrale de cette matière, la laissant gelée et disponible pour notre étude. »
Reste à savoir s’ils surmonteront la stagnation et finiront par fusionner dans des millions d’années, ou s’ils resteront pour toujours dans les limbes orbitaux. S’ils fusionnent, les ondes gravitationnelles qui en résulteront seront 100 millions de fois plus puissantes que celles produites par la fusion de trous noirs de masse stellaire.
Il est possible que la paire puisse surmonter cette distance finale grâce à une autre fusion galactique, qui insufflerait de la matière supplémentaire dans le système, ou peut-être un troisième trou noir, pour ralentir suffisamment l'orbite de la paire pour qu'elle fusionne. Cependant, étant donné le statut d'amas fossile de B2 0402+379, une nouvelle fusion de galaxies est peu probable.
"Nous attendons avec impatience de poursuivre les études sur le noyau de B2 0402+379, où nous verrons la quantité de gaz qu'il contient", a déclaré Tirth Surti, étudiant diplômé de Stanford et auteur principal de l'article. "Cela nous permettra de mieux comprendre si les trous noirs supermassifs peuvent fusionner au fil du temps ou s'ils resteront sous forme de système binaire."
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