Au centre de la plupart des galaxies se trouvent des trous noirs si massifs – jusqu'à plusieurs milliards de fois la masse de notre soleil – qu'ils ont valu le descripteur « supermassif ». Comparez cela à votre trou noir de masse stellaire ordinaire, une misérable 10 à 100 fois la masse de notre soleil. Comprendre ces trous noirs supermassifs aidera les astronomes à comprendre l'origine et l'évolution des galaxies. Une question ouverte est de savoir s'ils peuvent former des binaires.

Les trous noirs de masse stellaire forment des systèmes binaires, deux trous noirs en orbite l'un autour de l'autre, s'ils se forment à partir de l'effondrement d'un système stellaire binaire, ou peut-être lorsque deux trous noirs se capturent dans leur attraction gravitationnelle. Ils s'enroulent en spirale, finalement fusionner dans un événement si puissant qu'il envoie une ondulation à travers l'espace et le temps connue sous le nom d'onde gravitationnelle. Il y a quelques années, le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a détecté pour la première fois les ondes gravitationnelles d'un tel événement.

Théoriquement donc, la fusion de deux galaxies pourrait aboutir à un trou noir binaire de la variété supermassive, mais jusqu'à présent, les astronomes n'ont détecté sans équivoque aucun de ces événements. Le professeur Penn State d'astronomie et d'astrophysique Michael Eracleous est à l'avant-garde de la chasse.

« Il y a une dizaine d'années, plusieurs articles ont été publiés prétendant avoir détecté des trous noirs supermassifs binaires, " a-t-il dit. " J'avais fait des travaux sur les trous noirs supermassifs binaires en tant qu'étudiant diplômé, Je me suis donc senti obligé de me lancer dans un projet pour rassembler beaucoup de données pour pouvoir faire un contrepoint aux affirmations de ces articles. Une fois que j'y suis entré, J'ai vu à quel point c'était lié à l'évolution de la galaxie."

"Quand je suis arrivé à Penn State, Je savais que le département correspondait parfaitement au type de recherche que je fais, " a-t-il déclaré. " J'ai noué d'excellentes relations avec mes collègues ici, et maintenant je sais que si jamais je suis coincé, tout ce qu'il faut, c'est une tasse de café et une conversation pour clarifier les choses."

Alors, comment cherchez-vous quelque chose que vous n'avez jamais vu ?

« Dans une grande partie de l'astronomie, l'observation vient en premier - nous voyons quelque chose et cela informe notre théorie, " a déclaré Eracleous. " Pour les trous noirs supermassifs binaires, la théorie guide les observations. Jusqu'à ce que nous en trouvions un, les questions sont « Devraient-ils exister ? » et « Devrions-nous les chercher ? » Et la réponse aux deux questions est définitivement "Oui".

Une différence majeure entre les trous noirs supermassifs et les trous noirs de masse stellaire est le gaz. Lorsque des trous noirs de masse stellaire se forment après l'explosion d'une étoile dans une supernova, la plupart du gaz est chassé. Mais on pense que les trous noirs supermassifs transportent des gaz avec eux. Ces gaz émettent des signaux lumineux qui peuvent être détectés par de grands télescopes équipés de spectrographes ici sur Terre, comme le télescope Hobby-Eberly (HET) de 11 mètres.

Eracleous a expliqué que les gaz sont détectés par le spectrographe sous forme de raies d'émission d'une longueur d'onde particulière et qu'ils pourraient détenir la clé pour identifier un binaire supermassif. Alors que les trous noirs orbitent les uns autour des autres, les raies d'émission de ces gaz se déplacent en raison de l'effet Doppler. Les raies d'émission d'un trou noir sont décalées vers des longueurs d'onde plus longues, et ceux de l'autre sont décalés vers des longueurs d'onde plus courtes. Les scientifiques s'attendent donc à deux raies d'émission distinctes, un de chaque trou noir.

"Si nous pouvions suivre les raies d'émission au cours d'une orbite, nous les verrions se croiser alors que les signaux de chaque trou noir se déplaçaient dans un sens puis dans l'autre, " dit Eracleous.

Bien sûr, la recherche réelle n'est pas si simple. Des aspects pratiques comme la disponibilité limitée du temps sur les grands télescopes nécessaires pour faire ces observations signifient que les astronomes ne peuvent pas simplement regarder et attendre de voir les signes révélateurs d'un binaire supermassif. Mais ils n'en ont pas besoin. Au lieu, ils identifient les candidats à partir d'une enquête initiale et effectuent des vérifications régulières pour voir si les spectres de ces candidats ont changé comme on pouvait s'y attendre sur la base de modèles théoriques.

"Utiliser le télescope Hobby-Eberly pour faire ces observations nous facilite la vie car nous n'avons même pas besoin d'aller à l'observatoire pour collecter les données, " a déclaré Eracleous. " Le HET est exploité par des astronomes résidents qui font les observations et nous envoient les données. "

Le processus est lent, mais Eracleous a expliqué qu'une fois qu'ils ont trouvé un trou noir supermassif binaire, la recherche devrait s'accélérer.

"Le premier trou noir supermassif binaire confirmé sera comme la pierre de Rosette, " a-t-il dit. " Cela nous dira lesquels de nos modèles étaient bons et lesquels étaient faux. Cela nous permettra d'affiner nos prochaines recherches et nous devrions pouvoir en trouver plus."

Les astronomes développent déjà la technologie pour ces prochaines recherches. Eracleous est impliqué dans la planification de l'antenne spatiale de l'interféromètre laser (LISA). LISA est à LIGO ce qu'un trou noir supermassif est à un trou noir de masse stellaire. Où LIGO se compose de deux lasers de quatre kilomètres de long à angle droit l'un par rapport à l'autre, Les trois engins spatiaux de LISA seront reliés par des lasers qui parcourent 2,5 millions de kilomètres en formant un triangle équilatéral. L'échelle de LISA et le fait qu'il soit basé dans l'espace signifie qu'il peut détecter les ondes gravitationnelles de faible longueur d'onde loin des sources de bruit ici sur Terre.

"LISA sera réglé pour trouver des ondes gravitationnelles comme celles qui résulteraient d'une fusion de trous noirs supermassifs, " dit Eracleous.

Pour Eracleous, Le département d'astronomie et d'astrophysique de Penn State a fourni l'environnement favorable nécessaire à sa recherche.