Les astronomes trouvent des preuves du duo de trous noirs supermassifs le plus soudé observé à ce jour


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  • Enfermés dans une valse cosmique épique à 9 milliards d’années-lumière, deux trous noirs supermassifs semblent orbiter l’un autour de l’autre tous les deux ans. Les deux corps géants ont chacun des masses qui sont des centaines de millions de fois plus grandes que celle de notre soleil, et les objets sont séparés par une distance d’environ 50 fois celle qui sépare notre soleil et Pluton. Lorsque la paire fusionnera dans environ 10 000 ans, la collision titanesque devrait secouer l’espace et le temps lui-même, envoyant des ondes gravitationnelles à travers l’univers.

    Une équipe d’astronomes dirigée par Caltech a découvert des preuves que ce scénario se déroule dans un objet extrêmement énergétique connu sous le nom de 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 jaillit presque à la vitesse 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 pointe vers la Terre. Les astronomes savaient déjà que les quasars pouvaient posséder deux trous noirs supermassifs en orbite, mais trouver des preuves directes de cela s’est avéré difficile.

    Reportage dans Les lettres du journal astrophysique, les chercheurs affirment que PKS 2131-021 est désormais le deuxième candidat connu pour une paire de trous noirs supermassifs pris en flagrant délit de fusion. La première paire candidate, au sein d’un quasar appelé OJ 287, orbite autour de plus grandes distances, tournant tous les neuf ans contre les deux ans qu’il faut à la paire PKS 2131-021 pour terminer une orbite.

    La preuve révélatrice est venue des observations radio de PKS 2131-021 qui s’étendent sur 45 ans. Selon l’étude, un jet puissant 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 provoque des changements périodiques dans la luminosité de la lumière radio du quasar. Cinq observatoires différents ont enregistré ces oscillations, y compris l’Owens Valley Radio Observatory (OVRO) de Caltech, l’Observatoire de radioastronomie de l’Université du Michigan (UMRAO), l’Observatoire Haystack du MIT, l’Observatoire national de radioastronomie (NRAO), l’Observatoire radio Metsähovi en Finlande et le Wide -satellite spatial Infrared Survey Explorer (WISE).

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

    « Lorsque nous avons réalisé que les pics et les creux de la courbe de lumière détectés ces derniers temps correspondaient aux pics et aux creux observés entre 1975 et 1983, nous savions que quelque chose de très spécial se passait », explique Sandra O’Neill, auteur principal de la nouvelle étude. et un étudiant de premier cycle à Caltech qui est encadré par Tony Readhead, professeur d’astronomie Robinson, émérite.

    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 rejoindre pour former un trou noir encore plus massif. Au fur et à mesure que les trous noirs tournent les uns vers les autres, ils perturbent de plus en plus le tissu de l’espace et du temps, envoyant des ondes gravitationnelles, qui ont été 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 jusqu’à des dizaines de fois la masse de notre soleil. Cependant, les trous noirs supermassifs au centre des galaxies ont des millions à des milliards de fois plus de masse que notre soleil et émettent des fréquences d’ondes gravitationnelles inférieures à celles détectées par LIGO.

    À l’avenir, les réseaux de synchronisation de pulsars – qui consistent en un réseau d’étoiles mortes pulsantes surveillées avec précision par des radiotélescopes – devraient être capables de détecter les ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs de ce poids. (La prochaine mission de l’antenne spatiale de l’interféromètre laser, ou LISA, détecterait la fusion de trous noirs dont les masses sont 1 000 à 10 millions de fois supérieures à la masse de notre soleil.) Jusqu’à présent, aucune onde gravitationnelle n’a été enregistrée à partir de l’une de ces sources plus lourdes, mais PKS 2131-021 fournit la cible la plus prometteuse à ce jour.

    En attendant, les ondes lumineuses sont la meilleure option pour détecter les trous noirs supermassifs coalescents.

    Le premier candidat de ce type, OJ 287, présente également des variations périodiques de radio-lumière. Ces fluctuations sont plus irrégulières, et non sinusoïdales, mais elles suggèrent que les trous noirs tournent en orbite tous les neuf ans. Les trous noirs du nouveau quasar, PKS 2131-021, orbitent tous les deux ans et sont distants de 2 000 unités astronomiques, soit environ 50 fois la distance entre notre soleil et Pluton, soit 10 à 100 fois plus près que la paire du JO 287. (Une unité astronomique est la distance entre la Terre et le soleil.)

    Révéler la courbe de lumière sur 45 ans

    Readhead dit que 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 convertissent les matériaux dont ils se « nourrissent » en jets relativistes, ou en jets se déplaçant à grande vitesse. jusqu’à 99,98 pour cent de celle de la lumière. Ils surveillaient la luminosité de plus de 1 000 blazars à cette fin quand, en 2020, ils ont remarqué un cas unique.

    « PKS 2131 variait non seulement périodiquement, mais de manière sinusoïdale », explique Readhead. « Cela signifie qu’il existe un modèle que nous pouvons suivre en continu au fil du temps. » La question, dit-il, est alors devenue depuis combien de temps ce modèle d’onde sinusoïdale dure-t-il?

    L’équipe de recherche a ensuite parcouru les données radio d’archives pour rechercher les pics passés dans les courbes de lumière qui correspondaient aux prédictions basées sur les observations OVRO les plus récentes. Premièrement, les données du Very Long Baseline Array de la NRAO et de l’UMRAO ont révélé un pic de 2005 qui correspondait aux prévisions. Les données de l’UMRAO ont en outre montré qu’il n’y avait aucun signal sinusoïdal pendant 20 ans avant cette date – jusqu’en 1981, lorsqu’un autre pic prédit a été observé.

    « L’histoire se serait arrêtée là, car nous n’avions pas réalisé qu’il y avait des données sur cet objet avant 1980 », a déclaré Readhead. « Mais ensuite, Sandra a repris ce projet en juin 2021. Si ce n’était pas pour elle, cette belle trouvaille serait sur l’étagère. »

    O’Neill a commencé à travailler avec Readhead et le deuxième auteur de l’étude, Sebastian Kiehlmann, postdoctorant à l’Université de Crète et ancien chercheur à Caltech, dans le cadre du programme Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) de Caltech. O’Neill a commencé l’université en tant que majeure en chimie, mais a repris le projet d’astronomie parce qu’elle voulait rester active pendant la pandémie. « J’ai réalisé que j’étais beaucoup plus excitée à ce sujet que tout ce sur quoi j’avais travaillé », dit-elle.

    Avec le projet de retour sur la table, Readhead a parcouru la littérature et a découvert que l’observatoire 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 survenu en 1976.

    « Ce travail montre l’intérêt d’effectuer une surveillance précise de ces sources pendant de nombreuses années pour effectuer des découvertes scientifiques », déclare le co-auteur Roger Blandford, chercheur distingué Moore en astrophysique théorique à Caltech, actuellement en congé sabbatique de l’Université de Stanford.

    Comme une horloge

    Readhead compare le système du jet allant et venant à une horloge à retardement, 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 fait de cinq ans en raison de la lumière étant étiré par l’expansion de l’univers). Ce tic-tac a été observé pour la première fois en 1976 et il 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 tourner », dit-il, « La stabilité de la période sur cet écart de 20 ans suggère fortement que ce blazar n’abrite pas un trou noir supermassif, mais deux trous noirs supermassifs en orbite l’un autour de l’autre. »

    La physique sous-jacente aux variations sinusoïdales était au début un mystère, mais Blandford a proposé 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 », déclare Readhead. « Le modèle de Roger nous montre que c’est simplement le mouvement orbital qui fait cela. Avant que Roger ne l’ait compris, personne n’avait compris qu’un binaire avec un jet relativiste aurait une courbe de lumière qui ressemblait à ceci. »

    Kiehlmann déclare : « Notre étude fournit un plan directeur sur la manière de rechercher de tels binaires blazars à l’avenir. »

    Vidéo: https://youtu.be/B_q9tYjvgiY

    Les lettres du journal astrophysique L’étude intitulée « The Unanticipated Phenomenology of the Blazar PKS 2131-021: A Unique Super-Massive Black hole Binary Candidate » a été financée par Caltech, l’Institut Max Planck de radioastronomie, la NASA, la National Science Foundation (NSF), l’Académie de Finlande , le Conseil européen de la recherche, ANID-FONDECYT (Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo-Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico au Chili), le Conseil des sciences naturelles et du génie du Canada, la Fondation pour la recherche et la technologie — Hellas en Grèce, la Fondation hellénique pour la recherche et l’innovation en Grèce et l’Université du Michigan. Les autres auteurs de Caltech incluent Tim Pearson, Vikram Ravi, Kieran Cleary, Matthew Graham et Tom Prince. Parmi les autres auteurs du Jet Propulsion Laboratory, géré par Caltech pour la NASA, figurent Michele Vallisneri et Joseph Lazio.

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