Grâce au télescope Spitzer, on connait le tempo d’une danse complexe entre des trous noirs

La danse complexe de deux trous noirs a été étudiée pour comprendre le rythme auquel l’un des deux objets célestes tourne autour de l’autre. C’est grâce au télescope Spitzer, dont la mission s’est achevée fin janvier, que ce système a pu être observé, a annoncé la Nasa dans un communiqué le 28 avril 2020. Ses observations, présentées dans la revue The Astrophysical Journal Letters, montrent qu’un modèle qui avait été établi pour prévoir le comportement de ces deux trous noirs s’avère correct.

Les trous noirs sont logés dans la galaxie OJ 287, située dans la constellation du Cancer. Cette galaxie active est la source d’émissions lumineuses quasiment périodiques. « Ces éruptions surviennent à cause de l’impact d’un trou noir secondaire en orbite sur le disque d’accrétion du [trou noir] primaire », expliquent les auteurs de l’étude. L’un de ces deux trous noirs est l’un des plus massifs connus : il fait plus de 18 milliards de fois la masse du Soleil. Le deuxième, en orbite autour du premier, est un trou noir de 150 millions de masses solaires.

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Qu’est-ce qu’un trou noir ?

Les deux trous noirs situés dans la galaxie OJ 287.

Source : Capture d'écran YouTube Nasa Jet Propulsion Laboratory, annotations Numerama

Des flashs lumineux irréguliers

Le plus petit des deux objets passe à travers le disque du plus gros, à deux reprises tous les 12 ans (c’est le temps qu’il lui faut pour effectuer une orbite). Ce sont ces passages qui sont à l’origine des flashs lumineux détectés. Il faut 3,5 milliards d’années à cette lumière pour nous parvenir. Les chercheurs qui ont étudié ce système ont été surpris par le rythme irrégulier des flashs, révélant une « danse » probablement complexe de ce système binaire. Les deux flashs lumineux pouvaient apparaitre à une année d’intervalle, puis à plus de 10 ans d’intervalle la fois suivante. L’orbite du petit trou noir n’est ni circulaire, ni régulière. Sa position change à chaque fois que l’objet a parcouru une orbite autour de son compagnon.

« La temporalité précise de ces flashs nous permet de suivre la trajectoire relativiste générale du trou noir secondaire et de déterminer les paramètres centraux moteurs du trou noir binaire », écrivent les auteurs de la nouvelle étude. Autrement dit, il est essentiel de comprendre l’évolution future de ce système. Mais comment la prévoir à l’aide d’un modèle ? À plusieurs reprises, des scientifiques ont tenté de faire des propositions. En 2018, une publication a proposé un modèle capable de prévoir la venue des flashs lumineux avec une précision de moins de 4 heures. La nouvelle étude confirme leurs travaux : un flash lumineux s’est produit le 31 juillet 2019, comme prévu.

Par un heureux hasard, Spitzer était bien placé

Les télescopes terrestres n’étaient pas en mesure de détecter cet événement, car le système de trous noirs était alors de l’autre côté du Soleil par rapport à la Terre. Le télescope spatial Spitzer, cependant, était bien placé pour observer OJ 287 du 31 juillet au début du mois de septembre. Pour pouvoir fonctionner correctement, Spitzer a été placé sur une orbite héliocentrique (autour du Soleil) parallèle à celle de la Terre. Sur cette orbite, le télescope s’écarte peu à peu de notre planète (car il met plus de temps qu’elle à tourner autour du Soleil). Lorsqu’il a observé ce système, il se trouvait à 254 millions de kilomètres de nous. Et, par chance, la galaxie OJ 287 était visible par le télescope le jour prévu pour le nouveau flash lumineux, qui s’est bien produit.

Les observations de Spitzer pourraient, selon les auteurs, préparer le terrain pour de futures campagnes d’observations qui serviront à comprendre encore mieux ce système de trous noirs dans OJ 287 — avec, par exemple, l’Event Horizon Telescope, collaboration à l’origine de la première image d’un trou noir.

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