Les astronomes n'auront pas à attendre plus longtemps pour avoir un premier aperçu de l'un des plus grands types d'unions du cosmos. Nouvelle recherche publiée le 13 novembre dans Astronomie de la nature prédit que les ondes gravitationnelles générées par la fusion de deux trous noirs supermassifs seront détectées d'ici 10 ans. L'étude est la première à utiliser des données réelles, plutôt que des simulations informatiques, de prédire quand une telle observation sera faite.

"Les ondes gravitationnelles de ces fusions binaires supermassives de trous noirs sont les plus puissantes de l'univers, " déclare Chiara Mingarelli, auteure principale de l'étude, chercheur au Center for Computational Astrophysics du Flatiron Institute de New York. "Ils éclipsent absolument les fusions de trous noirs détectées par LIGO, " ou l'Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser, qui a détecté pour la première fois des ondes gravitationnelles provenant de la collision de trous noirs en février 2016.

La détection d'une fusion de trous noirs supermassifs offrirait de nouvelles informations sur l'évolution des galaxies massives et des trous noirs, dit Mingarelli. L'absence d'une telle observation dans le délai de 10 ans, d'autre part, nécessiterait de repenser si et comment les trous noirs supermassifs fusionnent, elle dit.

Les trous noirs supermassifs vivent au cœur des grandes galaxies, y compris notre propre Voie Lactée, et peut être des millions voire des milliards de fois la masse du soleil. En comparaison, les trous noirs fusionnés détectés jusqu'à présent par les détecteurs d'ondes gravitationnelles n'ont été que quelques dizaines de fois la masse du soleil.

Lorsque deux galaxies entrent en collision et se combinent, leurs trous noirs supermassifs dérivent vers le centre de la galaxie nouvellement unifiée. Les scientifiques prédisent que les trous noirs supermassifs se refermeront et fusionneront avec le temps. Cette rencontre produit des ondes gravitationnelles intenses qui ondulent à travers le tissu de l'espace et du temps.

Alors que ces ondes gravitationnelles sont fortes, elles se situent en dehors des longueurs d'onde actuellement observables par les expériences en cours telles que LIGO et Virgo. La nouvelle chasse aux ondes gravitationnelles formées par la fusion de trous noirs supermassifs exploitera à la place des étoiles appelées pulsars qui agissent comme des métronomes cosmiques. Les étoiles en rotation rapide envoient un rythme régulier d'impulsions d'ondes radio. Alors que les ondes gravitationnelles qui passent étirent et compriment l'espace entre la Terre et le pulsar, le rythme change légèrement. Ces changements sont ensuite surveillés par des projets d'observation des pulsars sur Terre.

Trois projets lisent actuellement la synchronisation des ondes radio provenant des pulsars proches :le Parkes Pulsar Timing Array en Australie, Observatoire nord-américain de nanohertz pour les ondes gravitationnelles et le réseau européen de synchronisation des pulsars. Ensemble, le trio forme l'International Pulsar Timing Array.

Mingarelli et ses collègues ont estimé combien de temps ces projets prendront pour repérer leur première fusion de trous noirs supermassifs. L'équipe a catalogué les galaxies voisines qui pourraient héberger des paires de trous noirs supermassifs. Les chercheurs ont ensuite combiné ces informations avec une carte des pulsars à proximité pour trouver, pour la première fois, la probabilité d'une détection définitive au fil du temps.

"Si vous tenez compte des positions des pulsars dans le ciel, vous avez en gros 100 % de chances de détecter quelque chose dans 10 ans, " Mingarelli dit. " L'essentiel est que vous êtes assuré de sélectionner au moins un binaire de trou noir supermassif local. "

Une surprise des résultats a été de savoir quelles galaxies sont les plus susceptibles d'offrir le premier aperçu d'une fusion de trous noirs supermassifs. Des galaxies plus grosses signifient des trous noirs plus gros et donc des ondes gravitationnelles plus fortes. Mais les plus gros trous noirs fusionnent aussi plus rapidement, réduire la fenêtre pendant laquelle les ondes gravitationnelles peuvent être détectées. Une fusion de trous noirs dans une galaxie massive comme M87 produirait des ondes gravitationnelles détectables pendant 4 millions d'années, par exemple, tandis qu'une galaxie plus modeste comme la Galaxie Sombrero offrirait une fenêtre de 160 millions d'années.

Une détection réussie permettrait aux astrophysiciens de mieux comprendre l'astrophysique au cœur des fusions de galaxies, Mingarelli dit, et fournir une nouvelle voie pour étudier la physique fondamentale qui n'est accessible par aucun autre moyen. Le nombre de binaires de trous noirs supermassifs observés offre également une mesure de la fréquence à laquelle les galaxies fusionnent, qui est une mesure importante de la façon dont l'univers a évolué au fil du temps.

Si une fusion de trous noirs supermassifs n'est pas vue, cela pourrait être dû au fait que les trous noirs se calent à environ trois années-lumière (ou un parsec) de séparation. Cette énigme est connue sous le nom de problème final de Parsec. Les deux trous noirs se rapprochent progressivement au fil du temps à mesure que leurs orbites se dégradent à mesure que l'énergie est perdue, générant des ondes gravitationnelles, mais le processus peut prendre plus de temps que l'âge actuel de l'univers.

Quant à savoir si les astronomes détecteront une fusion de trous noirs supermassifs, "ce sera intéressant de toute façon, " dit Mingarelli.