Dimensionner les “ombres” de deux trous noirs supermassifs en train d’entrer en collision

Dans cette simulation d’une fusion de trous noirs supermassifs, le trou noir décalé vers le bleu le plus proche de l’observateur amplifie le trou noir décalé vers le rouge à l’arrière par effet de lentille gravitationnelle. Les chercheurs ont découvert une baisse distincte de la luminosité lorsque le trou noir le plus proche passe devant l’ombre de son homologue, une observation qui pourrait être utilisée pour mesurer la taille des deux trous noirs et tester d’autres théories de la gravité. Crédit : Jordy Davelaar

Une nouvelle méthode de mesure du vide dans une paire de trous noirs supermassifs en fusion

Des scientifiques ont découvert un moyen de mesurer les “ombres” de deux trous noirs supermassifs en train d’entrer en collision, ce qui donne aux astronomes un nouvel outil potentiel pour mesurer les trous noirs dans les galaxies lointaines et tester d’autres théories de la gravité.

Il y a trois ans, le monde a été stupéfait par la découverte de l’un de ces deux trous noirs supermassifs. la toute première image d’un trou noir. Un puits noir de néant entouré d’un anneau de lumière ardent. Cette image iconique du black hole at the center of galaxy Messier 87 came into focus thanks to the Event Horizon Telescope (EHT), a global network of synchronized radio dishes acting as one giant telescope.

Now, a pair of Columbia researchers have devised a potentially easier way of gazing into the abyss. Outlined in complementary research studies in Physical Review Letters and Physical Review D, their imaging technique could allow astronomers to study black holes smaller than M87’s, a monster with a mass of 6.5 billion suns, harbored in galaxies more distant than M87, which at 55 million light-years away, is still relatively close to our own Milky Way.

Cette technique n’a que deux exigences. Premièrement, il faut une paire de trous noirs supermassifs sur le point de fusionner. Deuxièmement, vous devez observer la paire sous un angle presque latéral. De ce point d’observation latéral, lorsqu’un trou noir passe devant l’autre, vous devriez être en mesure de voir un flash lumineux lorsque l’anneau lumineux du trou noir le plus éloigné est amplifié par le trou noir le plus proche de vous, un phénomène connu sous le nom de lentille gravitationnelle.

L’effet de lentille est bien connu, mais les chercheurs ont découvert ici un signal caché : une baisse de luminosité distincte correspondant à l'”ombre” du trou noir à l’arrière. Cette subtile baisse de luminosité peut durer de quelques heures à quelques jours, en fonction de la masse des trous noirs et de la proximité de leurs orbites. Selon les chercheurs, si l’on mesure la durée de cet assombrissement, on peut estimer la taille et la forme de l’ombre projetée par l’horizon des événements du trou noir, le point de non sortie, où rien ne s’échappe, pas même la lumière.

Dans cette simulation d’une paire de trous noirs supermassifs en fusion, le trou noir le plus proche du spectateur s’approche et apparaît donc en bleu (image 1), amplifiant le trou noir décalé vers le rouge à l’arrière par effet de lentille gravitationnelle. Lorsque le trou noir le plus proche amplifie la lumière du trou noir le plus éloigné (image 2), le spectateur voit un flash lumineux. Mais lorsque le trou noir le plus proche passe devant l’abîme, ou l’ombre, du trou noir le plus éloigné, l’observateur voit une légère baisse de luminosité (image 3). Cette baisse de luminosité (3) apparaît clairement dans les données de la courbe de lumière sous les images. Crédit : Jordy Devalaar

“Il a fallu des années et un effort massif de la part de dizaines de scientifiques pour obtenir cette image à haute résolution des trous noirs de M87”, a déclaré le premier auteur de l’étude, Jordy Davelaar, un post-doc à Columbia et au Center for Computational Astrophysics du Flatiron Institute. “Cette approche ne fonctionne que pour les trous noirs les plus grands et les plus proches – la paire au cœur de M87 et potentiellement notre propre Voie lactée”.

Il a ajouté : “Avec notre technique, vous mesurez la luminosité des trous noirs au fil du temps, vous n’avez pas besoin de résoudre chaque objet dans l’espace. Il devrait être possible de trouver ce signal dans de nombreuses galaxies.”

L’ombre d’un trou noir est à la fois sa caractéristique la plus mystérieuse et la plus instructive. “Cette tache sombre nous renseigne sur la taille du trou noir, la forme de l’espace-temps qui l’entoure et la façon dont la matière tombe dans le trou noir près de son horizon”, a déclaré le coauteur Zoltan Haiman, professeur de physique à Columbia.

En observant la fusion d’un trou noir supermassif de côté, le trou noir le plus proche de l’observateur agrandit le trou noir plus éloigné par l’effet de lentille gravitationnelle. Chercheursa découvert une brève baisse de luminosité correspondant à l'”ombre” du trou noir plus éloigné, permettant à l’observateur de mesurer sa taille. Crédit : Nicoletta Baroloini

Les ombres des trous noirs pourraient également détenir le secret de la véritable nature de la gravité, l’une des forces fondamentales de notre univers. La théorie de la gravité d’Einstein, connue sous le nom de relativité générale, prédit la taille des trous noirs. Les physiciens les ont donc recherchés pour tester d’autres théories de la gravité, dans le but de concilier deux idées concurrentes sur le fonctionnement de la nature : La relativité générale d’Einstein, qui explique les phénomènes à grande échelle comme les planètes en orbite et l’expansion de l’univers, et la physique quantique, qui explique comment de minuscules particules comme les électrons et les photons peuvent occuper plusieurs états à la fois.

Les chercheurs ont commencé à s’intéresser aux trous noirs supermassifs éclatants après avoir repéré une paire présumée de trous noirs supermassifs au centre d’une galaxie lointaine dans l’univers primitif. ;” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>NASA’s planet-hunting Kepler space telescope was scanning for the tiny dips in brightness corresponding to a planet passing in front of its host star. Instead, Kepler ended up detecting the flares of what Haiman and his colleagues claim are a pair of merging black holes.

They named the distant galaxy “Spikey” for the spikes in brightness triggered by its suspected black holes magnifying each other on each full rotation via the lensing effect. To learn more about the flare, Haiman built a model with his postdoc, Davelaar.

They were confused, however, when their simulated pair of black holes produced an unexpected, but periodic, dip in brightness each time one orbited in front of the other. At first, they thought it was a coding mistake. But further checking led them to trust the signal.

As they looked for a physical mechanism to explain it, they realized that each dip in brightness closely matched the time it took for the black hole closest to the viewer to pass in front of the shadow of the black hole in the back.

The researchers are currently looking for other telescope data to try and confirm the dip they saw in the Kepler data to verify that Spikey is, in fact, harboring a pair of merging black holes. If it all checks out, the technique could be applied to a handful of other suspected pairs of merging supermassive black holes among the 150 or so that have been spotted so far and are awaiting confirmation.

As more powerful telescopes come online in the coming years, other opportunities may arise. The Vera Rubin Observatory, set to open this year, has its sights on more than 100 million supermassive black holes. Further black hole scouting will be possible when NASA’s gravitational wave detector, LISA, is launched into space in 2030.

“Even if only a tiny fraction of these black hole binaries has the right conditions to measure our proposed effect, we could find many of these black hole dips,” Davelaar said.

References:

“Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

“Self-lensing flares from black hole binaries: General-relativistic ray tracing of black hole binaries” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.103010