Première détection d’un trou noir supermassif secondaire dans un système binaire bien connu

Des trous noirs supermassifs qui pèsent plusieurs milliards de fois la masse de notre soleil sont présents au centre des galaxies actives. Les astronomes les observent comme des noyaux galactiques brillants où le trou noir supermassif de la galaxie dévore la matière d’un violent tourbillon appelé disque d’accrétion. Une partie de la matière est expulsée dans un jet puissant. Ce processus fait briller le noyau galactique sur tout le spectre électromagnétique.

Dans une étude récente, les astronomes ont trouvé des preuves de deux trous noirs supermassifs s’encerclant grâce à des signaux provenant des jets associés à l’accrétion de matière dans les deux trous noirs. La galaxie, ou un quasar comme on l’appelle techniquement, s’appelle OJ287 et elle est la plus étudiée et la mieux comprise comme un système de trous noirs binaires. Dans le ciel, les trous noirs sont si proches les uns des autres qu’ils fusionnent en un seul point. Le fait que le point se compose en fait de deux trous noirs devient évident en détectant qu’il émet deux types de signaux différents. Le résultat a été publié dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

La galaxie active OJ 287 se trouve dans la direction de la constellation du Cancer à une distance d’environ 5 milliards d’années-lumière et a été observée par les astronomes depuis 1888. Il y a déjà plus de 40 ans, l’astronome de l’Université de Turku Aimo Sillanpää et ses associés ont remarqué que il y a un modèle important dans son émission qui a deux cycles, l’un d’environ 12 ans et le plus long d’environ 55 ans. Ils ont suggéré que les deux cycles résultent du mouvement orbital de deux trous noirs l’un autour de l’autre. Le cycle le plus court est le cycle orbital et le plus long résulte d’une évolution lente de l’orientation de l’orbite.

Le mouvement orbital est révélé par une série d’éruptions qui surviennent lorsque le trou noir secondaire plonge régulièrement à travers le disque d’accrétion du trou noir primaire à des vitesses qui sont une fraction plus lentes que la vitesse de la lumière. Cette plongée du trou noir secondaire chauffe le matériau du disque et le gaz chaud est libéré sous forme de bulles en expansion. Ces bulles chaudes mettent des mois à se refroidir pendant qu’elles rayonnent et provoquent un éclair de lumière – une éruption – qui dure environ quinze jours et est plus brillant qu’un billion d’étoiles.

Après des décennies d’efforts pour estimer le moment de la plongée du trou noir secondaire à travers le disque d’accrétion, des astronomes de l’Université de Turku en Finlande dirigés par Mauri Valtonen et son collaborateur Achamveedu Gopakumar de l’Institut Tata de recherche fondamentale à Mumbai, en Inde, et d’autres ont pu modéliser l’orbite et prédire avec précision quand ces éruptions se produiraient.

Des campagnes d’observation réussies en 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 et 2019 ont permis à l’équipe d’observer les éruptions prévues et de confirmer la présence d’une paire de trous noirs supermassifs dans OJ 287.

“Le nombre total d’éruptions prévues est maintenant de 26, et presque toutes ont été observées. Le plus grand trou noir de cette paire pèse plus de 18 milliards de fois la masse de notre soleil tandis que le compagnon est environ 100 fois plus léger et son orbite est oblong, pas circulaire », explique le professeur Achamveedu Gopakumar.

Malgré ces efforts, les astronomes n’avaient pas pu observer un signal direct du plus petit trou noir. Avant 2021, son existence n’avait été déduite qu’indirectement des éruptions et de la façon dont il fait vaciller le jet du plus grand trou noir.

“Les deux trous noirs sont si proches l’un de l’autre dans le ciel qu’on ne peut pas les voir séparément, ils fusionnent en un seul point dans nos télescopes. Ce n’est que si nous voyons des signaux clairement séparés de chaque trou noir que nous pouvons dire que nous avons réellement ‘ les ai vus tous les deux », explique l’auteur principal, le professeur Mauri Valtonen.

Petit trou noir directement observé pour la première fois

De manière passionnante, les campagnes d’observation en 2021/2022 sur OJ 287 à l’aide d’un grand nombre de télescopes de différents types ont permis aux chercheurs d’obtenir des observations du trou noir secondaire plongeant à travers le disque d’accrétion pour la première fois, et les signaux provenant du plus petit trou noir lui-même.

“La période en 2021/2022 avait une signification particulière dans l’étude d’OJ287. Auparavant, il avait été prédit que pendant cette période, le trou noir secondaire plongerait à travers le disque d’accrétion de son compagnon le plus massif. Cette plongée devait produire un éclair très bleu juste après l’impact, et il a en effet été observé, quelques jours après l’heure prévue, par Martin Jelinek et ses associés de l’Université technique tchèque et de l’Institut astronomique de Tchéquie », explique le professeur Mauri Valtonen.

Cependant, il y a eu deux grandes surprises – de nouveaux types de fusées éclairantes qui n’avaient pas été détectées auparavant. Le premier d’entre eux n’a été vu que par une campagne d’observation détaillée de Staszek Zola de l’Université Jagellonne de Cracovie, en Pologne, et pour une bonne raison. Zola et son équipe ont observé une grande éruption, produisant 100 fois plus de lumière qu’une galaxie entière, et cela n’a duré qu’une journée.

“Selon les estimations, l’éruption s’est produite peu de temps après que le plus petit trou noir ait reçu une dose massive de nouveau gaz à avaler pendant sa plongée. C’est le processus d’avalement qui conduit à l’éclaircissement soudain d’OJ287. On pense que ce processus a a permis au jet qui jaillit du plus petit trou noir d’OJ 287. Un événement comme celui-ci avait été prédit il y a dix ans, mais n’a pas été confirmé jusqu’à présent », explique Valtonen.

Le deuxième signal inattendu provenait des rayons gamma et il a été observé par le télescope Fermi de la NASA. La plus grande éruption de rayons gamma dans OJ287 depuis six ans s’est produite juste au moment où le plus petit trou noir a plongé à travers le disque de gaz du trou noir primaire. Le jet du plus petit trou noir interagit avec le gaz du disque, et cette interaction conduit à la production de rayons gamma. Pour confirmer cette idée, les chercheurs ont vérifié qu’une éruption gamma similaire avait déjà eu lieu en 2013 lorsque le petit trou noir est tombé à travers le disque de gaz la dernière fois, vu depuis la même direction d’observation.

“Alors qu’en est-il de l’éclatement d’un jour, pourquoi ne l’avons-nous pas vu auparavant ? OJ287 est enregistré en photographies depuis 1888 et est suivi de manière intensive depuis 1970. Il s’avère que nous avons simplement eu de la malchance. Personne n’a observé exactement OJ287 ces nuits où il a fait sa cascade d’une nuit. Et sans la surveillance intense du groupe de Zola, nous l’aurions également manqué cette fois-ci », déclare Valtonen.

Ces efforts font d’OJ 287 le meilleur candidat pour une paire de trous noirs supermassifs qui envoie des ondes gravitationnelles à des fréquences nano-hertz. En outre, OJ 287 est régulièrement surveillé par les consortiums Event Horizon Telescope (EHT) et Global mm-VLBI Array (GMVA) pour rechercher des preuves supplémentaires de la présence d’une paire de trous noirs supermassifs en son centre et, en particulier, pour essayez d’obtenir l’image radio du jet secondaire.