Deux trous noirs supermassifs dans l’espace d’un système solaire

Des recherches récentes ont permis de comprendre en détail l’un des phénomènes exotiques provoqués dans leur environnement par deux trous noirs d’une masse combinée d’environ 40 millions de fois celle du Soleil (dix fois plus que celle du trou noir supermassif au centre de notre galaxie) qui ne sont séparés que de 26 milliards de kilomètres.

L’étude a été réalisée par une équipe dirigée par l’astrophysicienne Lorena Hernández García, de l’Université de Valparaíso au Chili. La recherche a été réalisée sur la base d’observations effectuées par l’observatoire spatial Swift de la NASA.

Cette paire de trous noirs supermassifs est située au centre d’une galaxie appelée 2MASX J21240027+3409114, située à un milliard d’années-lumière, dans la constellation boréale du Cygne (Le Cygne).

Ces trous noirs tournent autour les uns des autres et mettent 130 jours pour faire une révolution complète. Ils se rapprochent les uns des autres. On estime qu’ils entreront en collision et fusionneront d’ici environ 70 000 ans.

L’effet le plus frappant qu’exerce cette paire de trous noirs sur son voisinage cosmique est la déformation d’un vaste nuage de gaz.

« Nous pensons que le nuage de gaz a enveloppé les trous noirs. En orbitant les uns avec les autres, les trous noirs interagissent avec le nuage, perturbant son gaz et le consommant. Cela produit un motif oscillatoire dans la lumière provenant de ce système », explique Hernández García.

Cette tendance a commencé à être observée après la détection d’un éclair rare en mars 2021 par le ZTF (Zwicky Transient Facility) de l’observatoire astronomique du mont Palomar en Californie, aux États-Unis.

“Même si on pensait à l’origine que cet éclair correspondait à une supernova, les nouveaux sursauts de 2022 nous ont fait réfléchir à d’autres explications”, explique l’astrophysicienne Alejandra Muñoz Arancibia, de l’Université du Chili et co-auteur de l’étude. « Chaque événement ultérieur nous a aidé à améliorer notre modèle de ce qui se passe dans le système. »

Depuis le premier flash, ZTF a détecté des sursauts provenant de la source, cataloguée sous le nom « AT 2021hdr », à des intervalles compris entre 60 et 90 jours. En novembre 2022, Hernández García et ses collègues ont commencé à observer la zone où ce phénomène se produit à l’aide de Swift. Grâce à Swift, ils ont pu déterminer que le système binaire de trous noirs produit des oscillations de lumière ultraviolette et de rayons X sur les mêmes échelles de temps capturées par le ZTF dans le domaine visible.

Initialement, les chercheurs pensaient que ce signal pourrait être le sous-produit de l’activité normale du centre galactique. Ils ont ensuite envisagé la possibilité que la rupture d’une étoile trop proche de l’un des trous noirs en soit la cause.

Finalement, ils ont opté pour une autre possibilité : la fragmentation d’un nuage de gaz, un nuage initialement plus grand que le système binaire lui-même. Lorsque le nuage a rencontré les trous noirs, la gravité l’a déchiré et une partie du matériau déchiré a formé des filaments autour de la paire de trous. De plus, la friction commençait à la réchauffer. Le gaz est devenu particulièrement dense et chaud à proximité des trous noirs. À mesure que les trous du système binaire se déplacent le long de leur trajectoire orbitale, l’interaction complexe des forces expulse une partie du gaz du système à chaque rotation. Ces interactions produisent la lumière fluctuante observée par Swift et ZTF.

Recréation artistique de la paire de trous noirs supermassifs déformant et détruisant le nuage de gaz. (Image : NASA/Aurore Simonnet/Sonoma State University)

Hernández García et ses collègues prévoient de poursuivre les observations d’AT 2021hdr pour mieux comprendre le système et améliorer leurs modèles. Ils souhaitent également étudier leur galaxie d’origine, qui est actuellement en train de fusionner avec une autre galaxie voisine, comme ils l’ont découvert au cours de leurs recherches.

L’étude s’intitule « AT 2021hdr : Une perturbation potentielle d’un nuage de gaz par un système binaire de trous noirs super massifs ». Et cela a été publié dans la revue académique Astronomy and Astrophysics. (Source : NASA/ NCYT de Amazings)