Les trous noirs ne sont pas stationnaires dans l'espace; En réalité, ils peuvent être très actifs dans leurs mouvements. Mais parce qu'ils sont complètement sombres et ne peuvent pas être observés directement, ils ne sont pas faciles à étudier. Les scientifiques ont enfin compris le timing précis d'une danse compliquée entre deux énormes trous noirs, révélant des détails cachés sur les caractéristiques physiques de ces mystérieux objets cosmiques.

La galaxie OJ 287 abrite l'un des plus grands trous noirs jamais découverts, avec plus de 18 milliards de fois la masse de notre Soleil. En orbite autour de ce monstre se trouve un autre trou noir avec environ 150 millions de fois la masse du Soleil. 2 fois tous les 12 ans, le plus petit trou noir s'écrase à travers l'énorme disque de gaz entourant son plus grand compagnon, créant un éclair de lumière plus brillant qu'un billion d'étoiles - plus brillant, même, que toute la galaxie de la Voie lactée. La lumière met 3,5 milliards d'années pour atteindre la Terre.

Mais l'orbite du plus petit trou noir est oblongue, non circulaire, et c'est irrégulier :il change de position à chaque boucle autour du plus gros trou noir et est incliné par rapport au disque de gaz. Lorsque le plus petit trou noir s'écrase à travers le disque, il crée deux bulles de gaz chaud en expansion qui s'éloignent du disque dans des directions opposées, et en moins de 48 heures, le système semble quadrupler en luminosité.

En raison de l'orbite irrégulière, le trou noir entre en collision avec le disque à différents moments au cours de chaque orbite de 12 ans. Parfois, les poussées apparaissent aussi peu qu'un an d'intervalle; d'autres fois, jusqu'à 10 ans d'intervalle. Les tentatives pour modéliser l'orbite et prédire quand les éruptions se produiraient ont pris des décennies, mais en 2010, les scientifiques ont créé un modèle qui pourrait prédire leur apparition dans un délai d'environ une à trois semaines. Ils ont démontré que leur modèle était correct en prédisant l'apparition d'une poussée en décembre 2015 à trois semaines près.

Puis, en 2018, un groupe de scientifiques dirigé par Lankeswar Dey, un étudiant diplômé du Tata Institute of Fundamental Research à Mumbai, Inde, ont publié un article avec un modèle encore plus détaillé qui, selon eux, serait capable de prédire le moment des futures éruptions dans les quatre heures. Dans une nouvelle étude publiée dans le Lettres de revues astrophysiques , ces scientifiques rapportent que leur prédiction précise d'une éruption qui s'est produite le 31 juillet 2019, confirme que le modèle est correct.

L'observation de cette éruption n'a presque pas eu lieu. Parce que OJ 287 était du côté opposé du Soleil à la Terre, hors de vue de tous les télescopes au sol et en orbite terrestre, le trou noir ne reviendrait pas en vue de ces télescopes avant début septembre, longtemps après que la fusée se soit estompée. Mais le système était à la vue du télescope spatial Spitzer de la NASA, dont l'agence a pris sa retraite en janvier 2020.

Après 16 ans d'activité, l'orbite du vaisseau spatial l'avait placé à 158 millions de miles (254 millions de kilomètres) de la Terre, soit plus de 600 fois la distance entre la Terre et la Lune. De ce point de vue, Spitzer a pu observer le système du 31 juillet (le jour même où l'éruption devait apparaître) jusqu'au début septembre, quand OJ 287 deviendrait observable aux télescopes sur Terre.

« Quand j'ai vérifié pour la première fois la visibilité du JO 287, J'ai été choqué de constater qu'il est devenu visible pour Spitzer juste le jour où la prochaine éruption devait se produire, " a déclaré Seppo Laine, chercheur associé à Caltech/IPAC à Pasadena, Californie, qui a supervisé les observations de Spitzer sur le système. "C'était extrêmement chanceux que nous puissions capturer le pic de cette éruption avec Spitzer, car aucun autre instrument fabriqué par l'homme n'était capable de réaliser cet exploit à ce moment précis."

Ondulations dans l'espace

Les scientifiques modélisent régulièrement les orbites des petits objets de notre système solaire, comme une comète tournant autour du Soleil, en tenant compte des facteurs qui influenceront le plus significativement leur mouvement. Pour cette comète, la gravité du Soleil est généralement la force dominante, mais l'attraction gravitationnelle des planètes proches peut changer sa trajectoire, trop.

Déterminer le mouvement de deux énormes trous noirs est beaucoup plus complexe. Les scientifiques doivent tenir compte des facteurs qui pourraient ne pas avoir d'impact notable sur les objets plus petits; les principales d'entre elles sont ce qu'on appelle les ondes gravitationnelles. La théorie de la relativité générale d'Einstein décrit la gravité comme la déformation de l'espace par la masse d'un objet. Lorsqu'un objet se déplace dans l'espace, les distorsions se transforment en vagues. Einstein a prédit l'existence des ondes gravitationnelles en 1916, mais ils n'ont été observés directement qu'en 2015 par le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO).

Plus la masse d'un objet est grande, plus les ondes gravitationnelles qu'il crée sont grandes et énergiques. Dans le système JO 287, les scientifiques s'attendent à ce que les ondes gravitationnelles soient si grandes qu'elles puissent transporter suffisamment d'énergie du système pour modifier de manière mesurable l'orbite du plus petit trou noir, et donc la synchronisation des éruptions.

Alors que les études précédentes du JO 287 ont pris en compte les ondes gravitationnelles, le modèle 2018 est le plus détaillé à ce jour. En incorporant les informations recueillies à partir des détections d'ondes gravitationnelles par LIGO, il affine la fenêtre dans laquelle une poussée devrait se produire à seulement 1 1/2 jours.

Pour affiner davantage la prédiction des fusées éclairantes à seulement quatre heures, les scientifiques ont détaillé les caractéristiques physiques du plus grand trou noir. Spécifiquement, le nouveau modèle incorpore quelque chose appelé le théorème « sans cheveux » des trous noirs.

Publié dans les années 1960 par un groupe de physiciens qui comprenait Stephen Hawking, le théorème fait une prédiction sur la nature des "surfaces" des trous noirs. Alors que les trous noirs n'ont pas de vraies surfaces, les scientifiques savent qu'il y a une frontière autour d'eux au-delà de laquelle rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper. Certaines idées postulent que le bord extérieur, appelé l'horizon des événements, peut être bosselé ou irrégulier, mais le théorème sans cheveux postule que la "surface" n'a pas de telles caractéristiques, même pas de cheveux (le nom du théorème était une blague).

En d'autres termes, si l'on devait couper le trou noir au milieu le long de son axe de rotation, la surface serait symétrique. (L'axe de rotation de la Terre est presque parfaitement aligné avec ses pôles Nord et Sud. Si vous coupez la planète en deux le long de cet axe et comparez les deux moitiés, vous constateriez que notre planète est en grande partie symétrique, bien que des caractéristiques telles que les océans et les montagnes créent de petites variations entre les moitiés.)

Trouver la symétrie

Dans les années 1970, Le professeur émérite de Caltech, Kip Thorne, a décrit comment ce scénario – un satellite en orbite autour d'un trou noir massif – pourrait potentiellement révéler si la surface du trou noir était lisse ou bosselée. En anticipant correctement l'orbite du plus petit trou noir avec une telle précision, le nouveau modèle prend en charge le théorème sans cheveux, ce qui signifie que notre compréhension de base de ces objets cosmiques incroyablement étranges est correcte. Le système JO 287, en d'autres termes, soutient l'idée que les surfaces des trous noirs sont symétriques le long de leurs axes de rotation.

Alors, comment la douceur de la surface du trou noir massif a-t-elle un impact sur le timing de l'orbite du plus petit trou noir ? Cette orbite est principalement déterminée par la masse du plus grand trou noir. S'il devenait plus massif ou perdait une partie de son poids, cela changerait la taille de l'orbite du plus petit trou noir. Mais la répartition de la masse compte aussi. A massive bulge on one side of the larger black hole would distort the space around it differently than if the black hole were symmetric. That would then alter the smaller black hole's path as it orbits its companion and measurably change the timing of the black hole's collision with the disk on that particular orbit.

"It is important to black hole scientists that we prove or disprove the no-hair theorem. Without it, we cannot trust that black holes as envisaged by Hawking and others exist at all, " said Mauri Valtonen, an astrophysicist at University of Turku in Finland and a coauthor on the paper.