Un éclair de lumière plus brillant qu'un billion d'étoiles conduit à une percée de trou noir supermassif

Par Université de Turku9 juin 2023

Illustration artistique d'OJ287 en tant que système de trou noir binaire. Le trou noir secondaire de 150 millions de masses solaires se déplace autour du trou noir primaire de 18 milliards de masses solaires. Un disque de gaz entoure ce dernier. Le trou noir secondaire est forcé d'impacter le disque d'accrétion deux fois au cours de son orbite de 12 ans. L'impact produit un éclair bleu qui a été détecté en février 2022. De plus, l'impact induit également le trou noir secondaire à des éclats de rayonnement lumineux plusieurs semaines plus tôt, et ces éclats ont également été détectés comme un signal direct du trou noir secondaire. Crédit : AAS 2018

Une équipe internationale d'astronomes a observé le deuxième des deux trous noirs supermassifs encerclant l'un l'autre dans une galaxie active OJ 287.

Researchers have discovered two supermassive black holes orbiting each other in the galaxy OJ287. Predicted flares from the black holes were accurately observed, confirming the binary system hypothesis. For the first time, the secondary black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">black hole was directly observed in 2021/2022, and new types of flares were detected. These findings highlight OJ287 as a prime candidate for further study of gravitational wavesGravitational waves are distortions or ripples in the fabric of space and time. They were first detected in 2015 by the Advanced LIGO detectors and are produced by catastrophic events such as colliding black holes, supernovae, or merging neutron stars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ondes gravitationnelles.

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.

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 est 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 qu'il y a un schéma 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 prédites est maintenant de 26, et presque toutes ont été observées. Le plus gros 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 oblongue et non 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 les avons réellement "vus" tous les deux", explique l'auteur principal, le professeur Mauri Valtonen.

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 pour la première fois à travers le disque d'accrétion, et les signaux provenant du plus petit trou noir lui-même.

"La période 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 à l'Université technique tchèque et à 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'ingestion qui conduit à l'éclaircissement soudain d'OJ287. On pense que ce processus a renforcé le 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 télescope spatial à rayons gamma de Fermi observe le cosmos en utilisant la forme de lumière la plus énergétique, offrant une fenêtre importante sur les phénomènes les plus extrêmes de l'univers, des sursauts de rayons gamma et des jets de trous noirs aux pulsars, aux restes de supernova et à l'origine des rayons cosmiques. Crédit : © Daniëlle Futselaar/MPIfR (artsource.nl)

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 la rafale d'un jour, pourquoi ne l'avons-nous pas vu auparavant ? OJ287 a été enregistré en photographies depuis 1888 et a été suivi de manière intensive depuis 1970. Il s'avère que nous n'avons tout simplement pas eu de chance. Personne n'a observé OJ287 exactement les 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. De plus, 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 essayer d'obtenir l'image radio du jet secondaire.

Les résultats apparaîtront dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 521, Issue 4, pp. 6143-6155, juin 2023 et ont été publiés en ligne.

Référence: "Refiner l'OJ 287 2022 Impact Flare Arrival Epoch" par Mauri J Valtonen, Staszek Zola, A Gopakumar, Anne Lähteenmäki, Merja Tornikoski, Lankeswar Dey, Alok CE Gupta, Tapio Pursim, Emil Kudstup, Janose L Gomez, Renue Hudec, Martin Jelg, Janose L Gomez, Renue Hudec, Martin Jelg, Jane Le Andrei v Berdyugin, Stefano Ciprini, Daniel E Reichart, Vladimir v Kouprianov, Katsura Matsumoto, Marek Drozdz, Markus Mugrauer, Alberto Sadun, Michal Zejmo, Aimo Sillanpää, Harry J Lehto, Kari Nilsson, Ryo Imazawa et Makoto, March, 25 Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.doi: 10.1093 / MNRAS / STAD922

The instruments that were part of the 2021-2022 campaign include NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Le télescope à rayons gamma Fermi de la NASA et le télescope Swift ultraviolet à rayons X, des observations de longueur d'onde optique par des astronomes en République tchèque, en Finlande, en Allemagne, en Espagne, en Italie, au Japon, en Inde, en Chine, en Grande-Bretagne et aux États-Unis, et des observations de radiofréquence d'OJ287 à l'Université Aalto, Helsinki, Finlande.