Lorsque des galaxies entrent en collision, ce n’est pas une affaire douce, mais cela prend des millions d’années. Au cours de cette période, les deux systèmes stellaires massifs fusionnent lentement, leur attraction gravitationnelle les rapprochant. Au cœur de chaque galaxie se trouve un trou noir supermassif, un objet contenant des millions, voire des milliards de fois la masse de notre soleil. Après la fusion des galaxies, ces deux trous noirs devraient éventuellement se retrouver et s’installer en orbite autour de leur centre de gravité commun. Le résultat est l’un des phénomènes les plus extrêmes de l’univers, un trou noir supermassif binaire. Mais à ce jour, aucun n’a été retrouvé.
Malgré des décennies de prédictions théoriques, la preuve de ces systèmes binaires reste malheureusement insaisissable. Une étude récente réalisée par une équipe internationale d'astronomes et dirigée par Martin GH Krause, examine l'état actuel des preuves de ces paires insaisissables, rassemblant des observations de tout le spectre électromagnétique et explorant ce à quoi nous pourrions nous attendre lorsque ces systèmes s'orienteront vers leur fusion ultime.
La théorie dit que la formation des binaires de trous noirs supermassifs suit un chemin prévisible. Après la fusion de deux galaxies, les trous noirs de chaque galaxie progénitrice s'enfoncent vers le centre de la nouvelle galaxie combinée grâce à un processus appelé friction dynamique. À mesure que chaque trou noir se déplace dans la galaxie, il transfère de l’énergie aux étoiles proches et à la matière noire, perdant progressivement son élan. Finalement, les deux trous noirs se retrouvent en orbite l’un autour de l’autre à des distances mesurées en milliers d’années-lumière, puis en centaines, puis potentiellement jusqu’à quelques années-lumière l’une de l’autre.
Au-delà de leur formation, ces systèmes binaires devraient laisser des empreintes digitales distinctives sur plusieurs longueurs d’onde de lumière. Lorsque le gaz tombe sur les trous noirs en orbite, il peut créer des raies d’émission caractéristiques à double pic dans leur spectre. Si l’un des trous noirs lance un jet, un puissant faisceau de particules et de rayonnement jaillissant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, le mouvement orbital du binaire peut faire vaciller ou précéder ce jet, créant ainsi des structures distinctives en forme de S ou incurvées visibles dans les observations radio. Les astronomes ont identifié plusieurs candidats prometteurs présentant exactement ces caractéristiques, notamment des exemples provenant du radiotélescope LOFAR.
L’analyse met en évidence les observations de doubles noyaux galactiques actifs, des systèmes dans lesquels les deux trous noirs peuvent se nourrir activement du gaz environnant et briller de mille feux. Ces candidats potentiels ont été repérés à des échelles allant de milliers d’années-lumière à quelques années-lumière de séparation. À des distances plus grandes, les astronomes peuvent parfois directement imager les deux trous noirs comme des objets distincts. À des distances plus proches, les preuves deviennent plus indirectes mais non moins convaincantes, s’appuyant sur ces signatures spectroscopiques révélatrices et sur les alignements particuliers des jets. L'ouvrage est publié sur le arXiv serveur de préimpression.
Ce qui rend les binaires de trous noirs supermassifs particulièrement intéressants, c’est leur lien avec l’astronomie des ondes gravitationnelles. À mesure que ces systèmes binaires se rapprochent, ils commencent à émettre des ondes gravitationnelles, des ondulations dans le tissu même de l’espace-temps. Contrairement aux fusions de trous noirs de masse stellaire détectées par LIGO, qui produisent des ondes gravitationnelles à haute fréquence ne durant que quelques secondes, les trous noirs supermassifs émettent des ondes à basse fréquence qui pourraient être détectées par des réseaux de synchronisation de pulsars ou de futurs détecteurs spatiaux comme l'antenne spatiale de l'interféromètre laser (LISA). Ces observations ouvriraient une toute nouvelle fenêtre sur l'histoire des fusions de galaxies.
L’examen montre clairement que même si les preuves sont convaincantes et diverses, d’importantes incertitudes demeurent. Une énigme majeure est le « problème du parsec final », la question de savoir comment les trous noirs binaires parviennent à se rétrécir depuis des séparations de quelques années-lumière jusqu'à la fusion finale. À ces distances, il se peut qu’il n’y ait pas suffisamment de matière environnante pour extraire efficacement l’énergie de l’orbite. Diverses solutions ont été proposées, depuis l'influence d'étoiles massives passant à proximité jusqu'aux effets de disques de gaz ou même d'un troisième trou noir supermassif issu d'une autre collision galactique.
