On pense que les trous noirs supermassifs, les plus grands trous noirs de l’Univers, résident au centre de la plupart des galaxies. Lorsque les galaxies entrent en collision, leurs trous noirs centraux sont également réunis, pour finalement former une paire binaire. Lorsque ces trous noirs binaires tournent les uns vers les autres, ils émettent de puissantes ondes gravitationnelles, des ondulations dans la courbure de l’espace-temps. En 2015, l’Observatoire des ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) a détecté les premières ondes gravitationnelles provenant d’une paire de trous noirs binaires en fusion.
Jusqu’à présent, la manière exacte dont les trous noirs supermassifs forment des paires lors des fusions de galaxies a été mal comprise. Une équipe de chercheurs du Centre d'astrophysique computationnelle (CCA) du Flatiron Institute de New York a effectué des simulations numériques pour étudier ce problème. Les résultats, publiés dans la revue Physical Review Letters, montrent comment les trous noirs supermassifs se lient gravitationnellement au cours des conséquences chaotiques d'une collision galactique.
Les chercheurs ont utilisé une technique appelée Smoothed Particle Hydrodynamics pour suivre les mouvements complexes du gaz et des étoiles qui composent les galaxies lors d’une collision. Ils ont découvert qu’après la fusion de deux galaxies à disques, leurs trous noirs supermassifs forment une paire binaire, même lorsque les trous noirs étaient relativement éloignés l’un de l’autre. Cela se produit parce que les étoiles et le gaz des galaxies agissent comme une sorte de colle, maintenant les trous noirs ensemble grâce à leurs interactions gravitationnelles.
« Nos simulations montrent comment les trous noirs supermassifs forment des paires liées lors de la fusion des galaxies, ce qui est une étape nécessaire pour qu’ils fusionnent et émettent des ondes gravitationnelles. Les observations LIGO des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs fournissent ainsi un aperçu indirect de la dynamique des fusions de galaxies », a déclaré Volker Springel, membre du CCA et professeur d'astrophysique à l'Institut d'études théoriques de Heidelberg.
Les simulations montrent que les galaxies avec plus d’étoiles et de gaz sont capables de lier leurs trous noirs supermassifs en paires binaires plus serrées que les galaxies moins denses. Les propriétés des trous noirs binaires produits dans ces simulations sont en accord avec les observations de trous noirs binaires réalisées par LIGO.
Cette recherche fournit des informations importantes sur la physique des fusions de galaxies. Ces informations seront cruciales pour détecter et interpréter les futurs signaux d’ondes gravitationnelles provenant de la fusion des trous noirs, ainsi que pour comprendre l’évolution des galaxies au fil du temps.
