En profitant d'un cristallin naturel dans l'espace, les astronomes ont capturé un regard sans précédent sur les rayons X d'un système de trou noir dans l'univers primitif.

Cette loupe a été utilisée pour la première fois pour affiner les images radiographiques à l'aide de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA. Il a capturé des détails sur les trous noirs qui seraient normalement trop éloignés pour être étudiés à l'aide des télescopes à rayons X existants.

Les astronomes ont appliqué un phénomène connu sous le nom de "lentille gravitationnelle" qui se produit lorsque le chemin emprunté par la lumière provenant d'objets distants est courbé par une grande concentration de masse, comme une galaxie, qui se trouve le long de la ligne de mire. Cette lentille peut grossir et amplifier la lumière en grande quantité et créer des images en double du même objet. La configuration de ces images en double peut être utilisée pour déchiffrer la complexité de l'objet et affiner les images.

Le système à lentille gravitationnelle de la nouvelle étude s'appelle MG B2016+112. Les rayons X détectés par Chandra ont été émis par ce système alors que l'univers n'avait que 2 milliards d'années, par rapport à son âge actuel de près de 14 milliards d'années.

"Nos efforts pour voir et comprendre des objets aussi éloignés dans les rayons X seraient voués à l'échec si nous n'avions pas une loupe naturelle comme celle-ci, " a déclaré Dan Schwartz du Centre d'astrophysique, Harvard &Smithsonian (CfA), qui a dirigé l'étude.

Les dernières recherches s'appuient sur des travaux antérieurs dirigés par la co-auteur Cristiana Spingola, actuellement à l'Institut national italien d'astrophysique (INAF) à Bologne, Italie. En utilisant les observations radio de MG B2016+112, son équipe a trouvé des preuves d'une paire de trous noirs supermassifs à croissance rapide séparés par seulement environ 650 années-lumière. Ils ont découvert que les deux candidats au trou noir avaient peut-être des jets.

En utilisant un modèle de lentille gravitationnelle basé sur les données radio, Schwartz et ses collègues ont conclu que les trois sources de rayons X qu'ils ont détectées à partir du système MG B2016+112 doivent avoir résulté de la lentille de deux objets distincts. Ces deux objets émetteurs de rayons X sont probablement une paire de trous noirs supermassifs en croissance ou un trou noir supermassif en croissance et son jet. La séparation estimée de ces deux objets est cohérente avec le travail radio.

Les mesures précédentes de Chandra de paires ou de trios de trous noirs supermassifs en croissance ont généralement impliqué des objets beaucoup plus proches de la Terre, ou avec des séparations beaucoup plus grandes entre les objets. Un jet de rayons X à une distance encore plus grande de la Terre a déjà été observé, avec de la lumière émise lorsque l'univers n'avait que 7 % de son âge actuel. Cependant, l'émission du jet est séparée du trou noir d'environ 160, 000 années-lumière.

Le présent résultat est important car il fournit des informations cruciales sur la vitesse de croissance des trous noirs dans l'univers primitif et la détection d'un éventuel système de doubles trous noirs. La lentille gravitationnelle amplifie la lumière de ces objets lointains qui, autrement, seraient trop faibles pour être détectés. La lumière des rayons X détectée par l'un des objets de la MG B2016+112 peut être jusqu'à 300 fois plus lumineuse qu'elle ne l'aurait été sans la lentille.

"Les astronomes ont découvert des trous noirs dont la masse est des milliards de fois supérieure à celle de notre Soleil, se formant à peine des centaines de millions d'années après le big bang, quand l'univers n'avait que quelques pour cent de son âge actuel, " a déclaré Spingola. "Nous voulons résoudre le mystère de la façon dont ces trous noirs supermassifs ont gagné en masse si rapidement."

Les impulsions de la lentille gravitationnelle peuvent permettre aux chercheurs d'estimer combien de systèmes contenant deux trous noirs supermassifs ont des séparations suffisamment petites pour produire des ondes gravitationnelles observables à l'avenir avec des détecteurs spatiaux.

"De plusieurs façons, ce résultat est une preuve de concept passionnante de la façon dont cette « loupe » peut nous aider à révéler la physique des trous noirs supermassifs distants dans une nouvelle approche. Sans cet effet, Chandra aurait dû l'observer quelques centaines de fois plus longtemps et même alors n'aurait pas révélé les structures complexes, " a déclaré la co-auteur Anna Barnacka de la CfA et de l'Université Jagellonne, qui a développé les techniques pour transformer les lentilles gravitationnelles en télescopes à haute résolution pour affiner les images.

"Grâce à la lentille gravitationnelle, des observations beaucoup plus longues de Chandra peuvent être en mesure de faire la distinction entre la paire de trous noirs et les explications du trou noir et du jet. Nous sommes également impatients d'appliquer cette technique à l'avenir, d'autant plus que les relevés des nouvelles grandes installations optiques et radio qui seront bientôt mises en service alimenteront des dizaines de milliers de cibles, " conclut Schwartz.

L'incertitude dans la position des rayons X de l'un des objets dans MG B2016+112 est de 130 années-lumière dans une dimension et 2, 000 années-lumière dans l'autre, dimension perpendiculaire. Cela signifie que la taille de la zone où se trouve probablement la source est plus de 100 fois plus petite que la zone correspondante pour une source Chandra typique sans lentille. Une telle précision dans une détermination de position est sans précédent en astronomie aux rayons X pour une source à cette distance.

Un article décrivant ces résultats paraît dans le numéro d'août de Le Journal d'Astrophysique .