Il semble que même les trous noirs ne résistent pas à la tentation de s'insérer à l'improviste dans les photographies. Une photobombe cosmique trouvée comme objet d'arrière-plan dans les images de la galaxie voisine d'Andromède a révélé ce qui pourrait être la paire de trous noirs supermassifs la plus étroitement couplée jamais vue.

Les astronomes ont fait cette découverte remarquable en utilisant les données de rayons X de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA et les données optiques de télescopes au sol, Gemini-North à Hawaï et Palomar Transient Factory de Caltech en Californie.

Cette source inhabituelle, appelé LGGS J004527.30+413254.3 (J0045+41 en abrégé), a été vu dans les images optiques et radiographiques d'Andromède, également connu sous le nom de M31. Jusque récemment, les scientifiques pensaient que J0045+41 était un objet dans M31, une grande galaxie spirale située relativement proche à une distance d'environ 2,5 millions d'années-lumière de la Terre. Les nouvelles données, cependant, a révélé que J0045+41 était en fait à une distance beaucoup plus grande, à environ 2,6 milliards d'années-lumière de la Terre.

"Nous recherchions un type spécial d'étoile dans M31 et pensions en avoir trouvé une, " a déclaré Trevor Dorn-Wallenstein de l'Université de Washington à Seattle, WASHINGTON, qui a dirigé l'article décrivant cette découverte. "Nous avons été surpris et excités de trouver quelque chose de bien plus étrange!"

Encore plus intriguant que la grande distance de J0045+41, c'est qu'il contient probablement une paire de trous noirs géants en orbite rapprochée les uns autour des autres. La masse totale estimée de ces deux trous noirs supermassifs est environ deux cent millions de fois la masse de notre Soleil.

Précédemment, une autre équipe d'astronomes avait vu des variations périodiques de la lumière optique de J0045+41, et, le croyant membre du M31, l'a classé comme une paire d'étoiles qui tournaient l'une autour de l'autre environ une fois tous les 80 jours.

L'intensité de la source de rayons X observée par Chandra a révélé que cette classification originale était incorrecte. Plutôt, J0045+41 devait être soit un système binaire dans M31 contenant une étoile à neutrons ou un trou noir qui tire de la matière d'un compagnon - le genre de système que Dorn-Wallenstein recherchait à l'origine dans M31 - ou un système beaucoup plus massif et distant qui contient au moins un trou noir supermassif à croissance rapide.

Cependant, un spectre du télescope Gemini-North pris par l'équipe de l'Université de Washington a montré que J0045+41 doit héberger au moins un trou noir supermassif et a permis aux chercheurs d'estimer la distance. Le spectre a également fourni la preuve possible qu'un deuxième trou noir était présent dans J0045+41 et se déplaçant à une vitesse différente du premier, comme prévu si les deux trous noirs sont en orbite l'un autour de l'autre.

L'équipe a ensuite utilisé les données optiques de la Palomar Transient Factory pour rechercher des variations périodiques de la lumière à partir de J0045+41. Ils ont trouvé plusieurs périodes en J0045+41, y compris ceux à environ 80 et 320 jours. Le rapport entre ces périodes correspond à celui prédit par les travaux théoriques sur la dynamique de deux trous noirs géants en orbite l'un autour de l'autre.

"C'est la première fois que des preuves aussi solides sont trouvées pour une paire de trous noirs géants en orbite, ", a déclaré la co-auteur Emily Levesque de l'Université de Washington.

Les chercheurs estiment que les deux trous noirs putatifs orbitent l'un autour de l'autre avec une séparation de seulement quelques centaines de fois la distance entre la Terre et le Soleil. Cela correspond à moins d'un centième d'année-lumière. Par comparaison, l'étoile la plus proche de notre Soleil est à environ quatre années-lumière.

Un tel système pourrait être formé à la suite de la fusion, des milliards d'années plus tôt, de deux galaxies contenant chacune un trou noir supermassif. A leur proche séparation actuelle, les deux trous noirs se rapprochent inévitablement car ils émettent des ondes gravitationnelles.

"Nous ne sommes pas en mesure de déterminer exactement la masse de chacun de ces trous noirs, " a déclaré le co-auteur John Ruan, également de l'Université de Washington. "En fonction de cela, nous pensons que cette paire entrera en collision et fusionnera en un seul trou noir dans aussi peu que 350 ans ou jusqu'à 360, 000 ans."

Si J0045+41 contient effectivement deux trous noirs en orbite rapprochée, il émettra des ondes gravitationnelles, cependant le signal ne serait pas détectable avec LIGO et Virgo. Ces installations au sol ont détecté les fusions de trous noirs de masse stellaire ne pesant pas plus de 60 Soleils environ et, très récemment, une entre deux étoiles à neutrons.

"Les fusions de trous noirs supermassifs se produisent au ralenti par rapport aux trous noirs de masse stellaire", dit Dorn-Wallenstein. "Les changements beaucoup plus lents des ondes gravitationnelles d'un système comme J0045+41 peuvent être mieux détectés par un autre type d'installation d'ondes gravitationnelles appelée Pulsar Timing Array."

Un article décrivant ce résultat a été accepté pour publication dans le numéro du 20 novembre de The Journal d'astrophysique et est disponible en ligne.