Les trous noirs supermassifs ont-ils des amis ? La nature de la formation des galaxies suggère que la réponse est oui, et en fait, des paires de trous noirs supermassifs devraient être courantes dans l'univers.

Je suis astrophysicien et m'intéresse à un large éventail de problèmes théoriques en astrophysique, de la formation des toutes premières galaxies aux interactions gravitationnelles des trous noirs, étoiles et même des planètes. Les trous noirs sont des systèmes intrigants, et les trous noirs supermassifs et les environnements stellaires denses qui les entourent représentent l'un des endroits les plus extrêmes de notre univers.

Le trou noir supermassif qui se cache au centre de notre galaxie, appelé Sgr A*, a une masse d'environ 4 millions de fois celle de notre Soleil. Un trou noir est un endroit dans l'espace où la gravité est si forte que ni les particules ni la lumière ne peuvent s'en échapper. Autour de Sgr A* se trouve un amas dense d'étoiles. Des mesures précises des orbites de ces étoiles ont permis aux astronomes de confirmer l'existence de ce trou noir supermassif et de mesurer sa masse. Depuis plus de 20 ans, les scientifiques surveillent les orbites de ces étoiles autour du trou noir supermassif. D'après ce que nous avons vu, mes collègues et moi montrons que s'il y a un ami là-bas, il pourrait s'agir d'un deuxième trou noir à proximité d'au moins 100, 000 fois la masse du Soleil.

Les trous noirs supermassifs et leurs amis

Presque toutes les galaxies, y compris notre Voie Lactée, a un trou noir supermassif en son cœur, avec des masses de millions à des milliards de fois la masse du Soleil. Les astronomes étudient toujours pourquoi le cœur des galaxies abrite souvent un trou noir supermassif. Une idée populaire est liée à la possibilité que les trous supermassifs aient des amis.

Pour comprendre cette idée, nous devons revenir à l'époque où l'univers avait environ 100 millions d'années, à l'ère des toutes premières galaxies. Ils étaient beaucoup plus petits que les galaxies d'aujourd'hui, environ 10, 000 fois ou plus moins massive que la Voie Lactée. Au sein de ces premières galaxies, les toutes premières étoiles mortes ont créé des trous noirs, d'environ dizaines à mille la masse du Soleil. Ces trous noirs se sont enfoncés jusqu'au centre de gravité, le cœur de leur galaxie hôte. Puisque les galaxies évoluent en fusionnant et en se heurtant les unes aux autres, les collisions entre galaxies se traduiront par des paires de trous noirs supermassifs, l'élément clé de cette histoire. Les trous noirs entrent alors en collision et grossissent également. Un trou noir qui est plus d'un million de fois la masse de notre fils est considéré comme supermassif.

Si en effet le trou noir supermassif a un ami qui tourne autour de lui en orbite rapprochée, le centre de la galaxie est enfermé dans une danse complexe. Les remorqueurs gravitationnels des partenaires exerceront également leur propre traction sur les étoiles proches en perturbant leurs orbites. Les deux trous noirs supermassifs sont en orbite l'un autour de l'autre, et en même temps, chacun exerce sa propre traction sur les étoiles qui l'entourent.

Les forces gravitationnelles des trous noirs tirent sur ces étoiles et leur font changer d'orbite; en d'autres termes, après une révolution autour de la paire de trous noirs supermassifs, une étoile ne reviendra pas exactement au point où elle a commencé.

En utilisant notre compréhension de l'interaction gravitationnelle entre la possible paire de trous noirs supermassifs et les étoiles environnantes, les astronomes peuvent prédire ce qui arrivera aux étoiles. Les astrophysiciens comme mes collègues et moi pouvons comparer nos prédictions à des observations, et peut ensuite déterminer les orbites possibles des étoiles et déterminer si le trou noir supermassif a un compagnon qui exerce une influence gravitationnelle.

À l'aide d'une étoile bien étudiée, appelé S0-2, qui orbite tous les 16 ans autour du trou noir supermassif qui se trouve au centre de la galaxie, nous pouvons déjà exclure l'idée qu'il existe un deuxième trou noir supermassif avec une masse supérieure à 100, 000 fois la masse du Soleil et plus de 200 fois la distance entre le Soleil et la Terre. S'il y avait un tel compagnon, alors moi et mes collègues aurions détecté ses effets sur l'orbite de SO-2.

Mais cela ne signifie pas qu'un trou noir compagnon plus petit ne peut pas encore s'y cacher. Un tel objet ne peut pas modifier l'orbite de SO-2 d'une manière que nous pouvons facilement mesurer.

La physique des trous noirs supermassifs

Les trous noirs supermassifs ont attiré beaucoup d'attention ces derniers temps. En particulier, l'image récente d'un tel géant au centre de la galaxie M87 a ouvert une nouvelle fenêtre pour comprendre la physique derrière les trous noirs.

La proximité du centre galactique de la Voie lactée, à peine 24, 000 années-lumière—fournit un laboratoire unique pour résoudre les problèmes de physique fondamentale des trous noirs supermassifs. Par exemple, des astrophysiciens comme moi aimeraient comprendre leur impact sur les régions centrales des galaxies et leur rôle dans la formation et l'évolution des galaxies. La détection d'une paire de trous noirs supermassifs dans le centre galactique indiquerait que la Voie lactée a fusionné avec une autre, peut-être petit, galaxie à un moment donné dans le passé.

Ce n'est pas tout ce que la surveillance des étoiles environnantes peut nous dire. Les mesures de l'étoile S0-2 ont permis aux scientifiques de réaliser un test unique de la théorie de la relativité générale d'Einstein. En mai 2018, S0-2 a zoomé au-delà du trou noir supermassif à une distance d'environ 130 fois seulement la distance de la Terre au Soleil. Selon la théorie d'Einstein, la longueur d'onde de la lumière émise par l'étoile devrait s'étendre à mesure qu'elle monte du puits gravitationnel profond du trou noir supermassif.

La longueur d'onde d'étirement prédite par Einstein - qui fait apparaître l'étoile plus rouge - a été détectée et prouve que la théorie de la relativité générale décrit avec précision la physique dans cette zone gravitationnelle extrême. J'attends avec impatience la deuxième approche la plus proche de S0-2, qui se produira dans environ 16 ans, parce que les astrophysiciens comme moi pourront tester davantage les prédictions d'Einstein sur la relativité générale, y compris le changement de l'orientation de l'orbite allongée des étoiles. Mais si le trou noir supermassif a un partenaire, cela pourrait altérer le résultat attendu.

Finalement, s'il y a deux trous noirs massifs en orbite autour du centre galactique, comme mon équipe le suggère est possible, ils émettront des ondes gravitationnelles. Depuis 2015, les observatoires LIGO-Virgo ont détecté le rayonnement des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs de masse stellaire et d'étoiles à neutrons. Ces détections révolutionnaires ont ouvert une nouvelle voie aux scientifiques pour détecter l'univers.

Toutes les ondes émises par notre hypothétique paire de trous noirs seront à basse fréquence, trop faible pour être détecté par les détecteurs LIGO-Virgo. Mais un détecteur spatial prévu, connu sous le nom de LISA, pourrait être en mesure de détecter ces ondes, ce qui aidera les astrophysiciens à déterminer si notre trou noir du centre galactique est seul ou a un partenaire.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.