Les trous noirs supermassifs siègent au centre de presque toutes les grandes galaxies, faisant pencher la balance cosmique à des millions, voire des milliards de fois la masse du Soleil. Comment ils deviennent aussi gros reste un mystère tenace : l'accrétion de gaz depuis leur environnement est une voie, mais elle est apparemment trop lente pour expliquer les plus grands exemples. La fusion avec d'autres trous noirs massifs est le candidat principal pour l'explication manquante.

Les collisions de galaxies sont courantes dans tout l'univers, donc leurs trous noirs centraux devraient finir par se rejoindre aussi. Lorsque deux galaxies fusionnent, on s'attend à ce que leurs trous noirs se rapprochent, commencent à orbiter l'un autour de l'autre et spiralent progressivement vers l'intérieur jusqu'à ce qu'ils se combinent. Cependant, modéliser ces étapes finales reste un casse-tête, et les astronomes n'ont jamais identifié de manière fiable une paire de trous noirs supermassifs orbitant extrêmement près l'un de l'autre - malgré les nombreuses preuves de galaxies en collision.

Maintenant, une équipe de recherche internationale dirigée par Silke Britzen de l'Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) à Bonn a découvert des preuves observationnelles directes suggérant exactement une telle paire au centre de la galaxie Mrk 501. Les résultats ont été acceptés pour publication dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et sont prévus pour un prochain numéro.

Les astronomes savent depuis longtemps que le trou noir central de Mrk 501 émet un jet intense de particules dans l'espace à près de la vitesse de la lumière, alimenté par les conditions extrêmes et les puissants champs magnétiques entourant le trou noir. Pour étudier le système, les chercheurs ont examiné des observations radio détaillées à plusieurs fréquences, recueillies sur des dizaines de jours distincts sur environ 23 ans. L'ensemble de données étendu a révélé quelque chose de remarquable : à côté du jet familier se trouvait un second jet dont le mouvement pouvait également être suivi.

Les observations fournissent ce que les chercheurs appellent la première preuve d'imagerie directe d'un tel système au centre d'une galaxie, suggérant fortement la présence d'un second trou noir supermassif. Les deux trous noirs eux-mêmes restent trop proches dans le ciel pour être résolus individuellement.

« Nous l'avons cherché si longtemps, et puis ce fut une surprise totale de pouvoir non seulement voir un second jet, mais même suivre son mouvement », rapporte Britzen.

Deux trous noirs supermassifs dans une danse cosmique

Le jet précédemment connu est dirigé vers la Terre, ce qui le rend exceptionnellement brillant et relativement facile à observer. Le jet nouvellement identifié pointe dans une direction différente, ce qui aide à expliquer pourquoi il est resté caché si longtemps.

Sur seulement quelques semaines d'observations, les astronomes ont remarqué des changements dramatiques dans la position du second jet. Il semblait émerger de derrière le plus grand trou noir et balayer dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour de lui. Le mouvement se répétait, suggérant que l'ensemble du système subissait un mouvement orbital régulier.

« L'évaluation des données donnait l'impression d'être sur un navire. Tout le système de jets est en mouvement. Un système de deux trous noirs peut expliquer cela : le plan orbital oscille », explique Britzen.

Les chercheurs ont également identifié un événement inhabituel en juin 2022, lorsque le rayonnement du système semblait former un anneau. Ce phénomène, connu sous le nom d'anneau d'Einstein, se produit lorsque la gravité courbe la lumière de manière à créer une apparence annulaire. Une explication possible : les deux trous noirs et la Terre étaient brièvement alignés de la bonne manière, la gravité du trou noir au premier plan agissant comme une lentille, courbant la lumière du second jet derrière lui. Cet effet, appelé lentille gravitationnelle, offre un autre indice potentiel sur la nature du système.

Deux trous noirs pourraient fusionner en seulement 100 ans

En examinant les changements dans les jets et les motifs répétitifs de leur luminosité, l'équipe a calculé que les deux trous noirs semblent effectuer une orbite l'un autour de l'autre environ tous les 121 jours. Leur séparation estimée n'est que de 250 à 540 fois la distance entre la Terre et le Soleil - ce qui semble énorme, jusqu'à ce que l'on se souvienne que ces objets portent des masses allant de 100 mill