Les astronomes ont repéré une paire lointaine de trous noirs titanesques se dirigeant vers une collision.

La masse de chaque trou noir est plus de 800 millions de fois celle de notre soleil. Alors que les deux se rapprochent progressivement dans une spirale de la mort, ils commenceront à envoyer des ondes gravitationnelles ondulant dans l'espace-temps. Ces ondulations cosmiques rejoindront le bruit de fond encore non détecté des ondes gravitationnelles d'autres trous noirs supermassifs.

Avant même la collision prévue, les ondes gravitationnelles émanant de la paire de trous noirs supermassifs éclipseront celles précédemment détectées lors de la fusion de trous noirs beaucoup plus petits et d'étoiles à neutrons.

"Les binaires de trous noirs supermassifs produisent les ondes gravitationnelles les plus fortes de l'univers, " déclare la co-découverte Chiara Mingarelli, chercheur associé au Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics à New York. Les ondes gravitationnelles des paires de trous noirs supermassifs "sont un million de fois plus fortes que celles détectées par LIGO".

L'étude a été dirigée par Andy Goulding, chercheur associé à l'Université de Princeton. Goulding, Mingarelli et ses collaborateurs de Princeton et du U.S. Naval Research Laboratory à Washington, D.C., signaler la découverte le 10 juillet dans Les Lettres de revues astrophysiques .

Les deux trous noirs supermassifs sont particulièrement intéressants car ils se trouvent à environ 2,5 milliards d'années-lumière de la Terre. Puisque regarder des objets lointains en astronomie est comme remonter dans le temps, le couple appartient à un univers 2,5 milliards d'années plus jeune que le nôtre. Par coïncidence, c'est à peu près le même temps que les astronomes estiment qu'il faudra aux trous noirs pour commencer à produire de puissantes ondes gravitationnelles.

Dans l'univers actuel, les trous noirs émettent déjà ces ondes gravitationnelles, mais même à la vitesse de la lumière, les ondes ne nous atteindront pas avant des milliards d'années. Le duo est toujours utile, bien que. Leur découverte peut aider les scientifiques à estimer combien de trous noirs supermassifs à proximité émettent des ondes gravitationnelles que nous pourrions détecter en ce moment.

La détection de l'arrière-plan des ondes gravitationnelles aidera à résoudre certaines des plus grandes inconnues de l'astronomie, comme la fréquence à laquelle les galaxies fusionnent et si les paires de trous noirs supermassifs fusionnent ou se retrouvent coincées dans une valse presque sans fin les unes autour des autres.

"C'est un embarras majeur pour l'astronomie que nous ne sachions pas si les trous noirs supermassifs fusionnent, " déclare Jenny Greene, co-auteur de l'étude, professeur de sciences astrophysiques à Princeton. "Pour tout le monde dans la physique des trous noirs, d'un point de vue observationnel, il s'agit d'un casse-tête de longue date que nous devons résoudre."

Les trous noirs supermassifs contiennent des millions voire des milliards de masses solaires. Presque toutes les galaxies, dont la Voie Lactée, contiennent au moins un des mastodontes en leur sein. Quand les galaxies fusionnent, leurs trous noirs supermassifs se rencontrent et commencent à se mettre en orbite. Heures supplémentaires, cette orbite se resserre à mesure que le gaz et les étoiles passent entre les trous noirs et volent de l'énergie.

Une fois que les trous noirs supermassifs se sont suffisamment rapprochés, bien que, ce vol d'énergie s'arrête presque. Certaines études théoriques suggèrent que les trous noirs se calent ensuite à environ 1 parsec (environ 3,2 années-lumière) les uns des autres. Ce ralentissement dure presque indéfiniment et est connu comme le problème de parsec final. Dans ce scénario, seuls de très rares groupes de trois trous noirs supermassifs ou plus aboutissent à des fusions.

Les astronomes ne peuvent pas simplement rechercher des paires bloquées car bien avant que les trous noirs ne soient séparés de 1 parsec, ils sont trop proches pour être distingués comme deux objets séparés. De plus, ils ne produisent pas de fortes ondes gravitationnelles tant qu'ils n'ont pas surmonté l'obstacle final du parsec et se sont rapprochés. (Observés tels qu'ils étaient il y a 2,5 milliards d'années, les nouveaux trous noirs supermassifs apparaissent à environ 430 parsecs d'intervalle.)

Si le problème de parsec final n'existe pas, alors les astronomes s'attendent à ce que l'univers soit rempli de la clameur des ondes gravitationnelles des paires de trous noirs supermassifs. "Ce bruit est appelé le fond d'onde gravitationnelle, et c'est un peu comme un chœur chaotique de grillons gazouillant dans la nuit, " dit Goulding. " Vous ne pouvez pas distinguer un grillon d'un autre, mais le volume du bruit vous aide à estimer le nombre de grillons là-bas." (Quand deux trous noirs supermassifs entrent finalement en collision et se combinent, ils envoient un gazouillis tonitruant qui éclipse tous les autres. Un tel événement est bref et extraordinairement rare, bien que, les scientifiques ne s'attendent donc pas à en détecter un de si tôt.)

Les ondes gravitationnelles générées par les paires de trous noirs supermassifs sont en dehors des fréquences actuellement observables par des expériences telles que LIGO et Virgo. Au lieu, les chasseurs d'ondes gravitationnelles s'appuient sur des réseaux d'étoiles spéciales appelées pulsars qui agissent comme des métronomes. Les étoiles en rotation rapide envoient des ondes radio à un rythme régulier. Si une onde gravitationnelle qui passe étire ou comprime l'espace entre la Terre et le pulsar, le rythme est légèrement décalé.

La détection de l'arrière-plan des ondes gravitationnelles à l'aide de l'un de ces réseaux de synchronisation de pulsars demande de la patience et de nombreuses étoiles surveillées. Le rythme d'un seul pulsar pourrait être perturbé de quelques centaines de nanosecondes seulement sur une décennie. Plus le bruit de fond est fort, plus la perturbation temporelle est importante et plus la première détection sera effectuée tôt.

Goulding, Greene et les autres astronomes d'observation de l'équipe ont détecté les deux titans avec le télescope spatial Hubble. Bien que les trous noirs supermassifs ne soient pas directement visibles à travers un télescope optique, ils sont entourés de touffes brillantes d'étoiles lumineuses et de gaz chaud attirés par le puissant remorqueur gravitationnel. Pour son temps dans l'histoire, la galaxie abritant la nouvelle paire de trous noirs supermassifs "est fondamentalement la galaxie la plus lumineuse de l'univers, " dit Goulding. Qui plus est, le noyau de la galaxie projette deux panaches de gaz inhabituellement colossaux. Après que les chercheurs ont pointé le télescope spatial Hubble vers la galaxie pour découvrir les origines de ses spectaculaires nuages ​​de gaz, ils ont découvert que le système contenait non pas un mais deux trous noirs massifs.

Les observateurs se sont ensuite associés aux physiciens des ondes gravitationnelles Mingarelli et à l'étudiant diplômé de Princeton Kris Pardo pour interpréter la découverte dans le contexte du fond des ondes gravitationnelles. La découverte fournit un point d'ancrage pour estimer le nombre de paires de trous noirs supermassifs se trouvant à une distance de détection de la Terre. Les estimations précédentes s'appuyaient sur des modèles informatiques de la fréquence à laquelle les galaxies fusionnent, plutôt que des observations réelles de paires de trous noirs supermassifs.

Sur la base des constatations, Pardo et Mingarelli prédisent que dans un scénario optimiste, il y a environ 112 trous noirs supermassifs à proximité émettant des ondes gravitationnelles. La première détection du fond d'onde gravitationnelle des trous noirs supermassifs devrait donc avoir lieu d'ici cinq ans environ. Si une telle détection n'est pas effectuée, ce serait la preuve que le problème final du parsec peut être insurmontable. L'équipe étudie actuellement d'autres galaxies similaires à celle abritant la nouvelle paire de trous noirs supermassifs. Trouver des paires supplémentaires les aidera à affiner davantage leurs prédictions.