Que se passe-t-il lorsque deux trous noirs supermassifs entrent en collision ? Combinant la puissance d'observation de deux futures missions de l'ESA, Athéna et LISA, permettrait d'étudier pour la première fois ces affrontements cosmiques et leurs mystérieuses conséquences.

Trous noirs supermassifs, avec des masses allant de millions à des milliards de Soleils, s'asseoir au cœur de la plupart des galaxies massives à travers l'Univers. Nous ne savons pas exactement comment ces énormes, des objets extrêmement denses ont pris forme, ni ce qui déclenche une fraction d'entre eux pour commencer à dévorer la matière environnante à des taux extrêmement intenses, rayonnant abondamment à travers le spectre électromagnétique et transformant leurs galaxies hôtes en «noyaux galactiques actifs».

S'attaquer à ces questions ouvertes en astrophysique moderne est l'un des principaux objectifs de deux futures missions du programme de sciences spatiales de l'ESA :Athena, le télescope avancé pour l'astrophysique des hautes énergies, et LISA, l'antenne spatiale de l'interféromètre laser. Actuellement en phase d'étude, les deux missions devraient être lancées au début des années 2030.

"Athena et LISA sont deux missions exceptionnelles destinées à faire des percées dans de nombreux domaines de l'astrophysique, " dit Günther Hasinger, Directeur scientifique de l'ESA.

"Mais il y a une expérience extrêmement excitante que nous ne pourrions réaliser que si les deux missions sont opérationnelles en même temps pendant au moins quelques années :apporter du son aux" films cosmiques "en observant la fusion de trous noirs supermassifs à la fois dans les rayons X et les ondes gravitationnelles.

"Avec cette occasion unique d'effectuer des observations sans précédent de l'un des phénomènes les plus fascinants du cosmos, la synergie entre Athena et LISA augmenterait considérablement le rendement scientifique des deux missions, assurer le leadership européen dans un domaine clé, nouveau domaine de recherche."

Athena sera le plus grand observatoire à rayons X jamais construit, enquêter sur certains des phénomènes les plus chauds et les plus énergétiques du cosmos avec une précision et une profondeur sans précédent.

Il est conçu pour répondre à deux questions fondamentales :comment se forment et évoluent les trous noirs supermassifs au centre des galaxies, et comment la matière « ordinaire » s'assemble, avec la matière noire invisible, pour former la « toile cosmique » vaporeuse qui imprègne l'Univers.

"Athéna va mesurer plusieurs centaines de milliers de trous noirs, de relativement proche à lointain, observer l'émission de rayons X de la matière chaude à un million de degrés dans leur environnement, " dit Matteo Guainazzi, Scientifique de l'étude Athéna à l'ESA.

"Nous nous intéressons particulièrement aux trous noirs les plus éloignés, ceux qui se sont formés au cours des premières centaines de millions d'années de l'histoire de l'Univers, et nous espérons que nous pourrons enfin comprendre comment ils se sont formés."

Pendant ce temps, LISA sera le premier observatoire spatial des ondes gravitationnelles - les fluctuations dans le tissu de l'espace-temps produites par l'accélération d'objets cosmiques avec des champs de gravité très forts, comme des paires de trous noirs fusionnants.

Astronomie à ondes gravitationnelles, inauguré il y a quelques années seulement, est actuellement limité aux ondes haute fréquence qui peuvent être sondées par des expériences au sol comme LIGO et Virgo. Ces expériences sont sensibles aux fusions de trous noirs relativement petits, quelques fois à quelques dizaines de fois plus massifs que le Soleil. Le LISA étendra ces études en détectant les ondes gravitationnelles à basse fréquence, tels que ceux libérés lorsque deux trous noirs supermassifs entrent en collision lors d'une fusion de galaxies.

"LISA sera la première mission du genre, à la recherche principalement d'ondes gravitationnelles provenant de trous noirs supermassifs se brisant les uns dans les autres, " explique Paul McNamara, Chargée d'études LISA à l'ESA.

"C'est l'un des phénomènes les plus énergétiques que nous connaissions, libérant plus d'énergie que tout l'Univers au repos ne le fait à tout moment. Si deux trous noirs supermassifs fusionnent n'importe où dans le cosmos, LISA le verra."

Les premiers événements d'ondes gravitationnelles détectés par LIGO et Virgo entre 2015 et 2017 provenaient tous de paires de trous noirs de masse stellaire, qui sont connus pour ne pas émettre de lumière lors de la coalescence. Puis, en août 2017, des ondes gravitationnelles provenant d'une source différente - la fusion de deux étoiles à neutrons - ont été découvertes.

Cette fois, les ondes gravitationnelles étaient accompagnées de rayonnement à travers le spectre électromagnétique, facilement observable avec une multitude de télescopes sur Terre et dans l'espace. En combinant les informations des différents types d'observations dans une approche dite d'astronomie multi-messagers, les scientifiques pourraient se plonger dans les détails de ce phénomène jamais observé auparavant.

Avec Athéna et LISA ensemble, nous serions en mesure d'appliquer l'astronomie multi-messagers aux trous noirs supermassifs pour la première fois. Les simulations prédisent que leurs fusions, contrairement à ceux de leurs homologues de masse stellaire, émettent à la fois des ondes gravitationnelles et des rayonnements, ces derniers provenant du chaud, gaz interstellaire des deux galaxies en collision agitées par la paire de trous noirs lorsqu'ils tombent l'un vers l'autre.

LISA détectera les ondes gravitationnelles émises par les trous noirs en spirale environ un mois avant leur coalescence finale, lorsqu'ils sont encore séparés par une distance équivalente à plusieurs fois leurs rayons. Les scientifiques s'attendent à ce qu'une fraction des fusions trouvées par LISA, en particulier ceux qui se trouvent à des distances de quelques milliards d'années-lumière de nous, donnera lieu à un signal de rayons X qui pourra éventuellement être vu par Athéna.

"Lorsque LISA détecte pour la première fois un signal, on ne saura pas encore d'où ça vient exactement, parce que LISA est un capteur tout ciel, il fonctionne donc plus comme un microphone que comme un télescope, " explique Paul.

"Toutefois, comme les trous noirs s'inspirent les uns vers les autres, l'amplitude de leur signal d'onde gravitationnelle augmente. Cette, couplée au mouvement des satellites le long de leurs orbites, permettra à LISA d'améliorer progressivement la localisation de la source dans le ciel, jusqu'au moment où les trous noirs fusionnent enfin."

A quelques jours de la phase finale de la fusion, les données des ondes gravitationnelles limiteront la position de la source à une zone dans le ciel mesurant environ 10 degrés carrés, soit environ 50 fois la surface de la pleine lune. C'est quand même assez gros, mais permettrait à Athéna de commencer à scruter le ciel pour rechercher un signal de rayons X de cet affrontement titanesque. Les simulations indiquent que les deux trous noirs en spirale modulent le mouvement du gaz environnant, il est donc probable que la signature des rayons X aura une fréquence proportionnelle à celle du signal des ondes gravitationnelles.

Puis, quelques heures avant la coalescence finale des trous noirs, LISA peut fournir une indication beaucoup plus précise dans le ciel, à peu près la taille du champ de vision du Wide Field Imager (WFI) d'Athena, ainsi l'observatoire à rayons X peut pointer directement vers la source.

"Attraper le signal de rayons X avant que les trous noirs n'en deviennent un sera très difficile, mais nous sommes assez confiants de pouvoir faire une détection pendant et après la fusion, " explique Mattéo.

"Nous avons pu voir l'émergence d'une nouvelle source de rayons X, et peut-être assister à la naissance d'un noyau galactique actif, avec des jets de particules à haute énergie lancés à une vitesse proche de la vitesse de la lumière au-dessus et au-delà du trou noir nouvellement formé."

Nous n'avons jamais observé de fusion de trous noirs supermassifs - nous n'avons pas encore les moyens de telles observations. D'abord, nous avons besoin de LISA pour détecter les ondes gravitationnelles et nous dire où regarder dans le ciel; Ensuite, nous avons besoin d'Athéna pour l'observer avec une grande précision aux rayons X pour voir comment la puissante collision affecte le gaz entourant les trous noirs. Nous pouvons utiliser la théorie et les simulations pour prédire ce qui pourrait arriver, mais nous devons combiner ces deux grandes missions pour le découvrir.

Il y a cent ans ce mois-ci, le 29 mai 1919, les observations des positions des étoiles lors d'une éclipse totale de Soleil ont fourni la première preuve empirique de la courbure gravitationnelle de la lumière prédite quelques années plus tôt par la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. Cette éclipse historique a inauguré un siècle d'expériences gravitationnelles sur Terre et dans l'espace, préparer le terrain pour des missions inspirantes comme Athena et LISA, et des découvertes plus excitantes.