Engagés dans une valse cosmique épique à 9 milliards d’années-lumière de nous, deux trous noirs supermassifs semblent tourner l’un autour de l’autre avec une période de deux ans. Les deux corps géants ont chacun une masse de centaines de millions de masses solaires, et les objets sont séparés par une distance environ 50 fois supérieure à celle qui sépare notre Soleil de Pluton. Lorsque les deux corps fusionneront dans environ 10 000 ans, la collision titanesque devrait ébranler l’espace et le temps eux-mêmes, en envoyant des ondes gravitationnelles à travers l’univers.

Une équipe d’astronomes du Caltech a découvert des preuves que ce scénario se déroule au sein d’un objet à l’énergie monstrueuse appelé quasar. Les quasars sont des noyaux actifs de galaxies dans lesquels un trou noir supermassif siphonne la matière d’un disque qui l’entoure. Dans certains quasars, le trou noir supermassif crée un jet qui se propage à une vitesse proche de celle de la lumière. Le quasar observé dans la nouvelle étude, PKS 2131-021, appartient à une sous-classe de quasars appelés blazars, dans lesquels le jet est dirigé vers la Terre. Les astronomes savaient déjà que les quasars pouvaient posséder deux trous noirs supermassifs en orbite, mais il s’est avéré difficile d’en trouver des preuves directes.

Dans la revue The Astrophysical Journal Letters, les chercheurs affirment que PKS 2131-021 est désormais le deuxième candidat connu pour une paire de trous noirs supermassifs en train de fusionner. La première paire de candidats, située dans un quasar appelé OJ 287, orbitent l’un autour de l’autre à de plus grandes distances, tous les neuf ans, alors que la paire PKS 2131-021 met deux ans à compléter une orbite.

La preuve en a été apportée par des observations radio de PKS 2131-021 sur une période de 45 ans. Selon l’étude, un puissant jet émanant de l’un des deux trous noirs de PKS 2131-021 se déplace d’avant en arrière en raison du mouvement orbital de la paire. Cela entraîne des changements périodiques dans la luminosité radio du quasar. Cinq observatoires différents ont enregistré ces oscillations, notamment l’OVRO (Owens Valley Radio Observatory) de Caltech, l’UMRAO (University of Michigan Radio Astronomy Observatory), le Haystack Observatory du MIT, le NRAO (National Radio Astronomy Observatory), le Metsähovi Radio Observatory en Finlande et le satellite spatial WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) de la NASA.

La combinaison des données radio produit une courbe de lumière sinusoïdale presque parfaite, contrairement à tout ce qui avait été observé auparavant pour les quasars.

« Lorsque nous avons réalisé que les pics et les creux de la courbe de lumière détectée récemment correspondaient aux pics et aux creux observés entre 1975 et 1983, nous avons su qu’il se passait quelque chose de très spécial », explique Sandra O’Neill, auteur principal de la nouvelle étude et étudiante de premier cycle à Caltech sous la direction de Tony Readhead, professeur émérite d’astronomie à la chaire Robinson.

Des ondulations dans l’espace et le temps

La plupart des galaxies, sinon toutes, possèdent de monstrueux trous noirs en leur cœur, y compris notre propre galaxie, la Voie lactée. Lorsque les galaxies fusionnent, leurs trous noirs « coulent » au milieu de la galaxie nouvellement formée et finissent par se réunir pour former un trou noir encore plus massif. Au fur et à mesure que les trous noirs se rapprochent les uns des autres, ils perturbent de plus en plus la structure de l’espace et du temps, émettant des ondes gravitationnelles, prédites pour la première fois par Albert Einstein il y a plus de 100 ans.

Le LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) de la National Science Foundation, géré conjointement par Caltech et le MIT, détecte les ondes gravitationnelles de paires de trous noirs dont la masse peut atteindre des dizaines de fois celle de notre Soleil. Cependant, les trous noirs supermassifs situés au centre des galaxies ont une masse de millions à des milliards de fois celle de notre Soleil et émettent des ondes gravitationnelles de fréquences inférieures à celles détectées par LIGO.

À l’avenir, les réseaux de synchronisation des pulsars - qui consistent en un réseau d’étoiles mortes pulsant sous la surveillance précise de radiotélescopes - devraient être en mesure de détecter les ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs de cette taille. (La prochaine mission de l’antenne spatiale à interféromètre laser, ou LISA, permettrait de détecter les trous noirs en fusion dont la masse est de 1 000 à 10 millions de fois supérieure à celle de notre Soleil). Jusqu’à présent, aucune onde gravitationnelle n’a été enregistrée en provenance de l’une de ces sources plus lourdes, mais PKS 2131-021 constitue la cible la plus prometteuse à ce jour.

En attendant, les ondes lumineuses constituent la meilleure option pour détecter les trous noirs supermassifs en cours de coalescence.

Le premier de ces candidats, OJ 287, présente également des variations périodiques de la lumière radio. Ces fluctuations sont plus irrégulières, et non sinusoïdales, mais elles suggèrent que les trous noirs orbitent l’un autour de l’autre tous les neuf ans. Les trous noirs du nouveau quasar, PKS 2131-021, orbitent l’un autour de l’autre tous les deux ans et sont séparés par 2 000 unités astronomiques, soit environ 50 fois la distance entre notre soleil et Pluton, ou 10 à 100 fois plus près que la paire de OJ 287. (Une unité astronomique est la distance entre la Terre et le Soleil, soit 150 000 000 km à peu près).

Révélation de la courbe de lumière de 45 ans

Selon M. Readhead, les découvertes se sont déroulées comme un « bon roman policier », à partir de 2008, lorsque lui et ses collègues ont commencé à utiliser le télescope de 40 mètres de l’OVRO pour étudier comment les trous noirs transforment la matière dont ils se « nourrissent » en jets relativistes, c’est-à-dire en jets se déplaçant à des vitesses atteignant 99,98 % de celle de la lumière. Ils avaient surveillé la luminosité de plus de 1 000 blazars dans ce but quand, en 2020, ils ont remarqué un cas unique.

« PKS 2131 ne variait pas seulement périodiquement, mais de manière sinusoïdale », explique Readhead. « Cela signifie qu’il existe un modèle que nous pouvons retracer de manière continue dans le temps ». La question, dit-il, était alors de savoir depuis combien de temps ce motif sinusoïdal existait.

L’équipe de recherche a ensuite examiné les données radio d’archives pour rechercher les pics passés dans les courbes de lumière qui correspondaient aux prédictions basées sur les observations OVRO plus récentes. Tout d’abord, les données du Very Long Baseline Array du NRAO et de l’UMRAO ont révélé un pic datant de 2005 qui correspondait aux prédictions. Les données de l’UMRAO ont également montré qu’il n’y avait aucun signal sinusoïdal pendant les 20 années précédentes, jusqu’en 1981, date à laquelle un autre pic a été observé.

« L’histoire se serait arrêtée là, car nous n’avions pas réalisé qu’il existait des données sur cet objet avant 1980 », dit Readhead. « Mais Sandra a repris ce projet en juin 2021. Sans elle, cette magnifique découverte serait restée sur l’étagère. »

O’Neill a commencé à travailler avec Readhead et le deuxième auteur de l’étude, Sebastian Kiehlmann, un postdoc à l’Université de Crète et ancien chercheur à Caltech, dans le cadre du programme SURF (Summer Undergraduate Research Fellowship) de Caltech. O’Neill a commencé l’université en tant que major en chimie, mais a choisi le projet d’astronomie parce qu’elle voulait rester active pendant la pandémie. « J’ai réalisé que ce projet m’enthousiasmait bien plus que tous les autres sur lesquels j’avais travaillé », explique-t-elle.

Une fois le projet remis sur la table, Readhead a cherché dans la littérature et a découvert que l’Observatoire de Haystack avait fait des observations radio de PKS 2131-021 entre 1975 et 1983. Ces données ont révélé un autre pic correspondant à leurs prédictions, cette fois en 1976.

« Ce travail montre l’intérêt d’un suivi précis de ces sources pendant de nombreuses années pour réaliser des découvertes scientifiques », a déclaré le co-auteur Roger Blandford, chercheur émérite Moore en astrophysique théorique à Caltech, qui est actuellement en congé sabbatique de l’université de Stanford.

Comme un mécanisme d’horlogerie

Readhead compare le système du jet qui va et vient à une horloge à tic-tac, où chaque cycle, ou période, de l’onde sinusoïdale correspond à l’orbite de deux ans des trous noirs (bien que le cycle observé soit en réalité de cinq ans en raison de l’étirement de la lumière dû à l’expansion de l’univers). Ce tic-tac a été observé pour la première fois en 1976 et a continué pendant huit ans avant de disparaître pendant 20 ans, probablement en raison de changements dans l’alimentation du trou noir. Le tic-tac est maintenant de retour depuis 17 ans.

« L’horloge a continué à faire tic-tac », dit-il. « La stabilité de la période sur cet intervalle de 20 ans suggère fortement que ce blazar abrite non pas un trou noir supermassif, mais deux trous noirs supermassifs en orbite l’un autour de l’autre. »

La physique qui sous-tend les variations sinusoïdales était d’abord un mystère, mais Blandford a trouvé un modèle simple et élégant pour expliquer la forme sinusoïdale des variations.

« Nous savions que cette belle onde sinusoïdale devait nous dire quelque chose d’important sur le système », explique Readhead. « Le modèle de Roger nous montre que c’est simplement le mouvement orbital qui fait cela. Avant que Roger ne le mette au point, personne n’avait compris qu’une binaire avec un jet relativiste aurait une courbe de lumière qui ressemblerait à cela. »

Selon Kiehlmann, leur « étude fournit un modèle pour la recherche de telles binaires blazar à l’avenir ».

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