jeudi 25 juin 2020

Une possible émission électromagnétique associée à la fusion de trous noirs stellaires


Voilà encore une étude très intéressante qui lorgne du côté des fusions de trous noirs. Cette fois-ci, il s'agit de l'apparition d'un signal électromagnétique qui serait associé à la coalescence de deux gros trous noirs stellaires. Cette fusion aurait produit un rayonnement électromagnétique caractéristique à cause de l'endroit où elle aurait eu lieu : au sein du disque d'accrétion d'un trou noir supermassif niché au coeur d'un quasar... L'étude vient de paraître dans Physical Review Letters.


Les disques d'accrétion de trous noirs supermassifs sont paradoxalement des régions très efficaces pour produire des fusions de petits trous noirs, notamment du fait que le gaz du disque d'accrétion a pour effet d'accélérer le phénomène de coalescence. Le 21 mai 2019, les interféromètres LIGO et Virgo ont détecté un train d'ondes gravitationnelles potentiel, signant la fusion de deux trous noirs stellaires. Cet événement est resté pour le moment au stade de "candidat", et nécessite de plus amples analyses. Mais peu de temps après, un flash singulier a été enregistré dans la même zone du ciel en provenance d'un quasar, et cette bouffée de rayonnement ne peut pas être expliquée par l'activité changeante du quasar et de son trou noir supermassif (la probabilité qu'elle vienne des fluctuations du quasar lui-même ne sont que de 0,01%).
En revanche, cette émission UV est ce que l'on attendrait si deux trous noirs stellaires spiralaient l'un vers l'autre de plus en plus vite au beau milieu du disque de gaz en cours d'accrétion autour du trou noir supermassif au coeur du quasar, d'après Mattew Graham (Caltech) et ses collaborateurs américains et britanniques, au moins avec une probabilité de 99,9%. Les chercheurs montrent comment a pu être produit ce flash d'émission UV lorsque deux trous noirs déjà assez massifs ont fusionné. Le trou noir résultant doit en effet faire environ 100 masses solaires pour que le modèle fonctionne. 
Normalement, les fusions de trous noirs ne produisent aucun rayonnement électromagnétique en association avec les ondes gravitationnelles émises. C'est ainsi car les couples de trous noirs sont sensés se trouver dans un désert de matière, où très peu de gaz ou de poussière sont présents, seuls à même de pouvoir induire des rayonnements de photons via un échauffement ou des interactions diverses. 
Mais Graham et ses collaborateurs ont développé un modèle dans lequel la fusion se déroule dans l'environnement gazeux dense d'un disque d'accrétion et ils trouvent que le mouvement de recul du trou noir résultant de la fusion (qui apparaît car une fusion de trous noirs n'est jamais parfaitement symétrique) peut être suffisamment énergétique pour produire une onde de choc dans le gaz, qui, si elle est orientée dans une direction orthogonale au plan du disque d'accrétion, va produire une sorte de bulle de gaz chaud qui sera visible quand on observe le quasar dans le domaine des ultra-violets.
Graham et ses collaborateurs ont pris leur temps pour tester leur idée : ils ont exploité 21 alertes envoyées par LIGO/Virgo (que les événements soient restés des candidats ou devenus de réelles fusions) et pour chacune d'entre elles, ont cherché des correspondances dans les archives du Zwicky Transient Facility qui catalogue les sources électromagnétiques transitoires. La source transitoire qu'ils sont parvenus à associer à la détection gravitationnelle du 21 mai 2019 dans un quasar dénommé J1249 +3449 n'est pas apparue le même jour mais 35 jours plus tard. Ce délai observé entre la coalescence et l'apparition du rayonnement UV est expliqué par les astrophysiciens par la diffusion de la lumière dans le disque opaque. Et cette bouffée de rayonnement s'est arrêté au bout de 40 jours, ce qui fait dire aux chercheurs que le trou noir résultant de la fusion, dans son mouvement de recul à 200 km/s, serait sorti du disque d'accrétion avec une inclinaison de 60°... L'épaisseur du disque d'accrétion relativement au rayon galactique serait d'environ 0,01 là où se trouve le trou noir fusionné.

Et ce mouvement est très intéressant, car selon eux, il n'est pas assez véloce pour quitter définitivement le coeur du quasar : il devrait rester en orbite autour du trou noir supermassif. Et Mattew Graham et ses collaborateurs connaissent la masse du trou noir central (2,5 millions de masses solaires), la distance où se situe le trou noir fusionné (à 700 fois le rayon gravitationnel du trou noir supermassif) et sa masse probable (100 masses solaires), ils peuvent donc estimer la forme de son orbite. Ils calculent que le trou noir fusionné devrait retraverser le disque d'accrétion du trou noir supermassif seulement 1 an et demi après son départ, et qu'il devrait au passage refaire un petit feu d'artifice... 

Alors, on peut s'étonner de la grande masse du trou noir résultant de la fusion : 100 masses solaires, ce qui en ferait le plus gros trou noir stellaire (raconter ça au lendemain de la découverte probable du plus petit par la même méthode des fusions d'objets compacts, ça a son charme...). Mais il faut savoir que c'est à proximité des trous noirs supermassifs que sont le plus concentrés les trous noirs stellaires. Et pour pour arriver à deux trous noirs d'environ 50 masses solaires produisant un beau spécimen de 100 masses solaires, il faut que ces deux là aient déjà vécu plusieurs fusions successives. C'est tout à fait envisageable dans un tel environnement d'après les chercheurs.
L'équipe de Graham va maintenant, évidemment, surveiller de très près ce qui va se passer dans les mois et les années qui viennent au niveau de J1249+3449, un quasar où il s'en passe de belles à coup sûr...  


Source

Candidate Electromagnetic Counterpart to the Binary Black Hole Merger Gravitational-Wave Event S190521g*
M. J. Graham et al.
Phys. Rev. Lett. 124 (25 June 2020)


Illustration

Vue d'artiste de la coalescence de deux trous noirs stellaire au milieu du disque d'accrétion d'un trou noir supermassif (Caltech/R. Hurt (IPAC))

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