Un nouveau modèle rapproche les scientifiques de la compréhension des types de signaux lumineux produits lorsque deux trous noirs supermassifs, qui sont des millions à des milliards de fois la masse du Soleil, spirale vers une collision. Pour la première fois, une nouvelle simulation informatique qui intègre pleinement les effets physiques de la théorie de la relativité générale d'Einstein montre que le gaz dans de tels systèmes brillera principalement dans la lumière ultraviolette et les rayons X.

Presque toutes les galaxies de la taille de notre propre Voie lactée ou plus contiennent un trou noir monstre en son centre. Les observations montrent que les fusions de galaxies se produisent fréquemment dans l'univers, mais jusqu'à présent, personne n'a vu une fusion de ces trous noirs géants.

"Nous savons que les galaxies avec des trous noirs supermassifs centraux se combinent tout le temps dans l'univers, pourtant nous ne voyons qu'une petite fraction de galaxies avec deux d'entre elles près de leurs centres, " a déclaré Scott Noble, un astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Les paires que nous voyons n'émettent pas de forts signaux d'ondes gravitationnelles parce qu'elles sont trop éloignées les unes des autres. Notre objectif est d'identifier - avec la lumière seule - des paires encore plus proches à partir desquelles des signaux d'ondes gravitationnelles peuvent être détectés dans le futur."

Un article décrivant l'analyse de l'équipe de la nouvelle simulation a été publié mardi, 2 octobre dans le Journal d'astrophysique et est maintenant disponible en ligne.

Les scientifiques ont détecté la fusion de trous noirs de masse stellaire – qui vont d'environ trois à plusieurs dizaines de masses solaires – à l'aide de l'observatoire d'ondes gravitationnelles (LIGO) de l'interféromètre laser de la National Science Foundation. Les ondes gravitationnelles sont des ondulations spatio-temporelles se déplaçant à la vitesse de la lumière. Ils sont créés lorsque des objets en orbite massifs comme des trous noirs et des étoiles à neutrons spiralent ensemble et fusionnent.

Les fusions supermassives seront beaucoup plus difficiles à trouver que leurs cousines de la masse stellaire. L'une des raisons pour lesquelles les observatoires au sol ne peuvent pas détecter les ondes gravitationnelles de ces événements est que la Terre elle-même est trop bruyante, secousses dues aux vibrations sismiques et changements gravitationnels dus aux perturbations atmosphériques. Les détecteurs doivent être dans l'espace, comme l'antenne spatiale interférométrique laser (LISA) dirigée par l'ESA (Agence spatiale européenne) et dont le lancement est prévu dans les années 2030. Des observatoires surveillant les ensembles de filature rapide, les étoiles superdenses appelées pulsars peuvent détecter les ondes gravitationnelles des fusions de monstres. Comme des phares, les pulsars émettent des faisceaux de lumière programmés régulièrement qui clignotent dans et hors de vue lorsqu'ils tournent. Les ondes gravitationnelles pourraient provoquer de légers changements dans la synchronisation de ces éclairs, mais jusqu'à présent, les études n'ont donné aucune détection.

Mais les binaires supermassifs proches de la collision peuvent avoir une chose qui manque aux binaires de masse stellaire :un environnement riche en gaz. Les scientifiques soupçonnent que l'explosion de la supernova qui crée un trou noir stellaire souffle également la plupart des gaz environnants. Le trou noir consomme le peu qui reste si rapidement qu'il ne reste plus grand-chose à briller lorsque la fusion se produit.

binaires supermassifs, d'autre part, résultant des fusions de galaxies. Chaque trou noir surdimensionné apporte un entourage de nuages ​​de gaz et de poussière, étoiles et planètes. Les scientifiques pensent qu'une collision galactique propulse une grande partie de ce matériau vers les trous noirs centraux, qui le consomment sur une échelle de temps similaire à celle nécessaire à la fusion du binaire. Comme les trous noirs à proximité, les forces magnétiques et gravitationnelles chauffent le gaz restant, produisant de la lumière, les astronomes devraient être capables de voir.

« Il est très important de procéder sur deux pistes, " a déclaré la co-auteur Manuela Campanelli, directeur du Center for Computational Relativity and Gravitation au Rochester Institute of Technology à New York, qui a initié ce projet il y a neuf ans. "La modélisation de ces événements nécessite des outils de calcul sophistiqués qui incluent tous les effets physiques produits par deux trous noirs supermassifs en orbite l'un autour de l'autre à une fraction de la vitesse de la lumière. Savoir quels signaux lumineux attendre de ces événements aidera les observations modernes à les identifier. Modélisation et les observations se nourriront alors les unes les autres, nous aidant à mieux comprendre ce qui se passe au cœur de la plupart des galaxies."

La nouvelle simulation montre trois orbites d'une paire de trous noirs supermassifs à seulement 40 orbites de la fusion. Les modèles révèlent que la lumière émise à ce stade du processus peut être dominée par la lumière UV avec certains rayons X à haute énergie, semblable à ce que l'on voit dans n'importe quelle galaxie avec un trou noir supermassif bien alimenté.

Trois régions de gaz émettant de la lumière brillent lorsque les trous noirs fusionnent, le tout relié par des flux de gaz chauds :un large anneau encerclant l'ensemble du système, appelé le disque circumbinaire, et deux plus petits autour de chaque trou noir, appelés mini disques. Tous ces objets émettent principalement de la lumière UV. Lorsque le gaz s'écoule dans un mini-disque à un débit élevé, la lumière UV du disque interagit avec la couronne de chaque trou noir, une région de particules subatomiques de haute énergie au-dessus et au-dessous du disque. Cette interaction produit des rayons X. Lorsque le taux d'accrétion est plus faible, La lumière UV diminue par rapport aux rayons X.

Sur la base de la simulation, les chercheurs s'attendent à ce que les rayons X émis par une quasi-fusion soient plus brillants et plus variables que les rayons X vus par des trous noirs supermassifs uniques. Le rythme des changements est lié à la fois à la vitesse orbitale du gaz situé au bord interne du disque circumbinaire ainsi qu'à celle des trous noirs en fusion.

"La façon dont les deux trous noirs dévient la lumière donne lieu à des effets de lentille complexes, comme on le voit dans le film quand un trou noir passe devant l'autre, " a déclaré Stéphane d'Ascoli, doctorant à l'École Normale Supérieure de Paris et auteur principal de l'article. "Certaines fonctionnalités exotiques ont été une surprise, telles que les ombres en forme de sourcil qu'un trou noir crée parfois près de l'horizon de l'autre."

La simulation s'est déroulée sur le supercalculateur Blue Waters du National Center for Supercomputing Applications de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. La modélisation de trois orbites du système a pris 46 jours sur 9, 600 cœurs de calcul. Campanelli a déclaré que la collaboration s'était récemment vu accorder du temps supplémentaire sur Blue Waters pour continuer à développer leurs modèles.

La simulation originale a estimé les températures des gaz. L'équipe prévoit d'affiner son code pour modéliser l'évolution des paramètres du système, comme la température, distance, masse totale et taux d'accrétion, affectera la lumière émise. Ils sont intéressés à voir ce qui arrive au gaz voyageant entre les deux trous noirs ainsi qu'à modéliser des périodes plus longues.

"Nous devons trouver des signaux dans la lumière des binaires de trous noirs supermassifs suffisamment distinctifs pour que les astronomes puissent trouver ces systèmes rares parmi la foule de trous noirs supermassifs simples et brillants, " a déclaré le co-auteur Julian Krolik, astrophysicien à l'Université Johns Hopkins de Baltimore. « Si nous pouvons le faire, nous pourrions peut-être découvrir la fusion de trous noirs supermassifs avant qu'ils ne soient vus par un observatoire d'ondes gravitationnelles basé dans l'espace."