21/04/2015

Simulation réaliste (et observation) d'un couple de trous noirs supermassifs en voie de fusion

Presqu'au même moment où l'on apprend la mise en évidence de ce qui ressemble au couple de trous noirs supermassifs le plus serré "vu" à ce jour, une équipe de chercheurs américains publie ses résultats sur des simulations innovantes, justement appliquées à la fusion de deux trous noirs supermassifs très très proches l'un de l'autre.




C'est la première fois qu'une telle simulation est effectuée, prenant en considération toutes les subtilités des équations de la Relativité Générale. L'équipe de Stuart Shapiro, de l'université d'Illinois s'est attachée à simuler à la fois les phénomènes gravitationnels, mais aussi les rayonnements des disques de matière magnétisée accompagnant les deux trous noirs, en appliquant les équations magnétohydrodynamiques en champ gravitationnel relativiste. Ils parviennent ainsi à produire un rendu en 3 dimensions, qu'ils ont produit sous forme d'une animation, d'une part montrant le mouvement des corps, et d'autre part l'évolution de l'émission d'ondes gravitationnelles qui accompagne inéluctablement une telle fusion de trous noirs, surtout lorsqu'ils sont supermassifs (voir ci-dessous). 

Evolution dynamique des trous noirs et des champs magnétiques :



Emissions d'ondes gravitationnelles : 



Ces animations viennent d'être présentées lors d'une conférence de l'American Physical Society, à Baltimore, la semaine dernière.

Le tout nouveau couple putatif de trous noirs supermassifs très proches l'un de l'autre serait formé de deux bébés de 10 milliards de masses solaires, et découvert grâce à l'observation de signaux périodiques en provenance d'un quasar situé à plus de 10 milliards d'années lumière et qui répond au nom de PSO J334.2028+01.4075. Cette étude est, quant à elle, parue également la semaine dernière, dans The Astrophysical Journal Letters.

Normalement, l'intensité lumineuse d'un quasar est variable, mais elle varie aléatoirement, sans aucune logique. Ce qu'ont observé Tingting Liu de l'université du Maryland et son équipe, grâce au télescope hawaïen Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System, c'est la présence d'une variation périodique dans le signal lumineux de PSO J334.2028+01.4075, avec une période de 542 jours. La seule solution possible à ce phénomène périodique selon les auteurs est l'existence d'un système binaire de trous noirs supermassifs. Et la période orbitale permet d'en déduire la masse et la distance qui sépare les deux objets. Cette distance de séparation ne vaudrait d'après les auteurs que 7 fois le rayon de Schwartzchild, soit à peine 0,02 années-lumière. C'est si proche qu'on peut parler en kilomètres... ça fait 186 milliards de kilomètres.
Ce qui conforte également Tingting Liu et ses collègues, c'est que ce couple de trous noirs supermassifs (ce quasar, en fait) se trouve exactement à l'époque de ce qu'on appelle le pic de fusions de trous noirs supermassifs, là où ce type d'événements est le plus fréquent.
La recherche systématique de variations périodiques de quasars n'en est qu'à ces tout débuts. La suite du programme initié avec le télescope PanSTARRS devrait étudier environ 1000 quasars répartis sur 80 degrés² du ciel, et en 2023, la Large Synoptic Sky Survey fera le même type de recherches mais avec un volume plus de 1000 fois plus grand, devrait suivre plusieurs dizaines de millions de quasars et trouver probablement plusieurs milliers de couples de trous noirs supermassifs par cette méthode.

Si la chance nous sourit, nous pourrons peut-être assister dans quelques années en direct à la fusion de deux trous noirs supermassifs qui auront été découverts juste avant leur tango infernal, et nous pourrons alors confronter les belles simulations avec la réalité.

Sources : 

3D simulations of colliding black holes hailed as most realistic yet
Ron Cowen
Nature (20 April 2015)

A periodically varying luminous quasar at z = 2 from the Pan-STARRS 1 Medium Deep Survey: a candidate supermassive black hole binary in the gravitational wave-driven regime
Tingting Liu et al.
The Astrophysical Journal Letters, 803:L16 (6pp),  20 April 2015