Les trous noirs supermassifs

Corrélation entre la masse et la luminosité des trous noirs (II)

Le catalogue eRASS1 publié en 2024 se fonde sur les données de l'instrument à rayons X eROSITA (extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array) embarqué à bord du satellite allemand SRG (Spektrum Roentgen Gamma). Il fut placé sur une orbite de halo autour du point L2 de Lagrange en 2019 grâce à une fusée russe Proton. Précions que depuis 2022, en raison de la guerre en Ukraine, les responsables allemands ont mis eROSITA en mode sans échec, c'est-à-dire que l'instrument est désactivé et placé dans un mode permettant uniquement sa maintenance et son orientation spatiale.

Le catalogue eRASS1 reprend 900000 sources à haute énergie (0.2-2 keV) dont 710000 trous noirs supermassifs situés dans des AGN lointains (ainsi que 180000 étoiles émettant des rayons X situées dans la Voie Lactée et 12000 sources situées dans des amas de galaxies).

Utiliser les rayons X est donc une très bonne méthode pour étudier les trous noirs, d'autant qu'on peut mesurer le spectre d'énergie des photons individuels à l'instant où ils tombent sur le capteur photosensible(eROSTA est équipé de caméras pnCCD dont la technologie est héritée du satellite XMM-Newton).

Grâce aux rayons X, les chercheurs peuvent en savoir plus sur l'activité des trous noirs, suivre par exemple l'évolution des nuages de gaz incandescents en accrétion, évaluer leur luminosité et leur taux d'accrétion, découvrir des éruptions quasi périodiques et d'autres phénomènes transitoires qui nous renseignent sur leur environnement et leur évolution.

C'est dans ce contexte qu'un équipe internationale d'astronomes a découvert une toute nouvelle façon d'étudier le comportement des trous noirs supermassifs actifs (en accrétion). L'équipe d'Ilaria Ruffa, chercheur postdoctorant à l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Cardiff a étudié un échantillon de trous noirs actifs et constaté qu'ils brillent tous de la même manière dans les bandes micro-ondes et rayons X, quel que soit leur taux d'accrétion de la matière galactique environnante. Ce phénomène n'est pas prédit par les théories existantes. Leur découverte a fait l'objet d'un article publié dans les "MNRAS" en 2023.

Les auteurs ont étudié le lien entre le gaz froid présent autour des trous noirs supermassifs actifs et la manière dont ceux-ci sont alimentés dans un échantillon de 48 galaxies proches qui furent sondées à l'aide du réseau radiointerférométrique ALMA dont 31 galaxies extraites du sondage WISDOM.

Jusqu'à présent les astronomes considéraient les trous noirs actifs intrinsèquement différents selon leur appétit, c'est-à-dire la manière dont ils accrètent la matière galactique. Or les auteurs ont découvert que ces trous noirs pourraient présenter plus de similitudes qu’on ne le pensait auparavant.

Ce que les astophysiciens appellent le "plan fondamental d'accrétion des trous noirs"ou FP en abrégé est une corrélation empirique entre la masse des trous noirs supermassifs, leur émission radio à 5 GHz et leur luminosité en rayons X entre 2 et 10 keV, un phénomène initialement observé en 2003 et 2004. L'origine de la FP est encore débattue, mais il est largement admis qu'elle contient des informations sur la physique de l'accrétion des trous noirs supermassifs.

Selon Ruffa, auteur principal de cet article, "les rayonnements micro-ondes et rayons X que nous détectons dans les régions entourant ces trous noirs semble être directement liés à leur masse et provenir des flux de gaz extrêmement chauds qu'ils absorbent. C'est le cas des trous noirs supermassifs qui absorbent presque l'équivalent de la masse du Soleil chaque année comme de ceux moins massifs qui absorbent la même quantité de matière en 10 millions d'années."

Les auteurs furent surpris par leur découverte car ils pensaient que de tels flux de plasma devraient uniquement se produire dans les trous noirs actifs ayant un faible taux d'accrétion, les trous noirs accrétant énormément de matière formant un disque d'accrétion permettant au système d'être alimenté de manière plus ordonnée et continue.

Selon les auteurs, "Notre étude suggère que le rayonnement micro-onde que nous détectons pourrait en réalité provenir des flux de plasma dans tous les types de trous noirs actifs, modifiant ainsi notre vision de la façon dont ces systèmes consomment la matière et deviennent les monstres cosmiques que nous voyons aujourd’hui."

Les corrélations observées par les auteurs fournissent également une nouvelle méthode pour estimer la masse des trous noirs, ce qui est essentiel pour comprendre leur impact sur l'évolution des galaxies à travers l'Univers. En effet, bien que ces trous noirs supermassifs soient petits et "légers" par rapport à la taille d'une galaxie, ils portent leur influence jusqu'à des dizaines de milliers d'années-lumière, affectant sensiblement la dynamique et donc l'évolution des galaxies.

Les auteurs vont à présent comparer la masse des trous noirs avec les propriétés de leurs galaxies hôtes afin de mieux comprendre leurs relations et leurs évolutions.

Relation entre la formation des trous noirs supermassifs et leur spin

Lors du 245^e meeting de l'American Astronomical Society (AAS) qui s'est tenu du 12 au 16 janvier 2025 à National Harbor, dans le Maryland, l'équipe de Logan Fries, doctorant à l'Université du Connecticut présenta les résultats d'une étude qui révèle un fait surprenant sur les trous noirs supermassifs : ils tournent plus vite qu'on ne le pensait auparavant, suggérant que l'Univers primitif est plus ordonné qu'on ne le pensait (cf. L.Fries et Coll.SDSS, 2025).

Selon Fries, "Nous avons étudié les trous noirs supermassifs qui se trouvent au centre des galaxies, depuis aujourd'hui jusqu'à il y a sept milliards d'années. De manière inattendue, nous avons découvert qu'ils tournaient trop vite pour avoir été formés par la seule fusion de galaxies. Ils ont dû se former en grande partie à partir d'accrétion de matière, ce qui fait grandir le trou noir en douceur et accélère sa rotation."

Selon les auteurs, l'histoire de la croissance des trous noirs n'a pas été bien étudiée, car elle nécessite des mesures beaucoup plus précises que celles réalisées jusqu'à présent. En effet, le défi consiste à différencier la rotation du trou noir de celle du disque d'accrétion qui l'entoure. Pour cela, comme illustré ci-dessous à droite, il faut analyser le spectre de la région la plus interne du disque, là où le gaz tombe sous l'horizon des évènements du trou noir.

A gauche, le spin du trou noir (a*) en fonction du temps indiqué à la fois par le décalage vers le rouge (Redshift, sur l'axe des x inférieur) et par l'âge de l'Univers (sur l'axe des x supérieur). a* = 1 indique un spin prograde maximal, a* = 0 indique un trou noir statique et a* = -1 indique un spin rétrograde maximal. Les points de données d'observation issus des modèles de distribution spectrale d'énergie du disque d'accrétion (SED) ajustés sont représentés dans les couleurs indiquées par la légende en bas à gauche. La zone verte est la région où l'on s'attendrait à une croissance du trou noir dominée par l'accrétion, tandis que la zone rose est la région où l'on s'attendrait à une croissance du trou noir dominée par les fusions (ou merges). Les deux scénarii sont présentés à droite de chaque zone. A droite, illustration d'un trou noir et de son disque d'accrétion avec différents spins (à gauche) et le spectre correspondant qui serait observé dans chaque cas (à droite). Le pic de la longueur d'onde la plus lumineuse du spectre est différent dans chaque cas. En observant un trou noir et en comparant sa longueur d'onde maximale à la position prédite, les astronomes peuvent déterminer son spin. Documents L.Fries/Coll.SDSS (2025), NASA/ESA/STSc, NASA/CXC/M.Weiss et NASA/JPL-Caltech adaptés par l'auteur.

La luminosité des trous noirs supermassifs fut calculée sur base de mesures en ultraviolet enregistrées par le télescope spatial GALEX (Galaxy Evolution Explorer) sensible à l'UV et du télescope terrestre Pan-STARR 1 (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System) installé au sommet du Haleakalā à Maui, à Hawaï.

L'un des aspects délicats de ce travail est que la luminosité des trous noirs peut varier d'une mesure à l'autre, car les conditions peuvent changer rapidement. Ce type de travail nécessite donc des observations et des mesures prises rapidement sur une période de 10 jours, pour garantir qu'elles sont pour ainsi dire synchronisées.

Selon Fries, "De cette façon, nous pouvons supposer que ces mesures reflètent le trou noir à la même période de temps, avant qu’il ne devienne plus lumineux ou plus pâle."

Des spectres obtenus dans le cadre du projet SDSS-RM (Sloan Digital Sky Survey Reverberation Mapping) notamment ont ensuite été analysés pour identifier tout décalage Doppler indiquant une rotation du trou noir.

Les chercheurs ont ensuite modélisé un disque d'accrétion reprenant la masse, le taux d'accrétion et la rotation comme paramètres d'entrée pour créer ce qu'on appelle des distributions d'énergie spectrale ou SED, qui sont des modèles décrivant la luminosité d'un trou noir à certaines longueurs d'ondes. Ils ont ensuite utilisé une régression non linéaire multiparamétrique pour adapter la partie UV et optique de la SED aux données afin de contraindre la rotation du trou noir.

Selon la théorie dominante, les trous noirs supermassifs se sont principalement développés à partir de fusions (merges) entre des galaxies plus petites. Cette théorie prédit que lorsque deux galaxies fusionnent, chacune d'elles ayant sa propre vitesse de rotation et une orientation aléatoire - ces rotations ont la même probabilité de s'annuler que de s'additionner.

Sur base de cette théorie, les chercheurs s'attendaient à observer toute une variété de rotations, la plupart des trous noirs ayant un faible spin. Mais au lieu de cela, ils ont découvert que de nombreux trous noirs tournent rapidement, et que les trous noirs des galaxies plus lointaines tournent encore plus vite que ceux de l'univers proche.

Ce qui a surpris les chercheurs et surprendra sans doute certains théoriciens, c'est que les trous noirs supermassifs se sont formés en douceur au cours des temps cosmiques en absorbant la matière par leurs disques d'accrétion.

Selon Fries, "Cela va à l'encontre de ce que nous attendrions de notre idée sur la croissance des galaxies et la croissance des trous noirs par fusion de galaxies, et cela devrait conduire à un ralentissement de la rotation des trous noirs. Comprendre exactement comment les trous noirs se sont formés et ont grandi au cours des temps cosmiques nous donne des informations précieuses sur l'évolution des galaxies, la physique de l'accrétion en général et la cosmologie. C'est particulièrement important puisque le télescope spatial James Webb a découvert des trous noirs supermassifs qui sont plus massifs que ce à quoi nous nous attendrions à cette époque de l'Univers."

Les prédictions basées sur ces résultats seront testées par de futures observations avec le JWST de trous noirs supermassifs dans l'Univers primitif qui devraient donc être plus massifs que ce que les modèles actuels prédisent. Et de fait, les études publiées depuis 2023 montrent que les trous noirs supermassifs de l'Univers primitif sont à la fois plus nombreux et plus massifs que ce que prédit la théorie.

Relation entre la structure d'un SMBH et son développement

En connaissant le taux d'accrétion d'un trou noir, sa masse et la quantité de rayonnement qu'il émet, les chercheurs peuvent déterminer quand certains trous noirs connurent ou connaîtront leur plus forte croissance. Cette information, à son tour, apporte des contraintes et donc des indices sur l'évolution de l'Univers.

Dans un article publié dans "The Astrophysical Journal" en 2022, une équipe internationale de chercheurs a étudié les signatures lumineuses des trous noirs supermassifs qui ont intrigué les chercheurs pendant plus d'un demi-siècle. Leur étude basée sur l'analyse d'une décennie de données rayons X des AGN au moyen du satellite Swift-BAT de la NASA clarifie le mystère entourant leur croissance rapide.

Le rayonnement provenant de l'environnement d'un trou noir supermassif peut présenter différents profils, d'où l'existence de quasars "rouges" et "bleus", "calmes" ou "bruyant" en radio et plus ou moins puissants avec et sans jet détectable. Ils peuvent également présenter différentes luminosités et signatures spectrales. Jusqu'en ~2017, comme nous l'avons expliqué à propos du modèle unifié des AGN, les chercheurs pensaient que ces différences dépendaient de l'angle de visée et de la manière dont le trou noir était caché par son tore de poussière comme illustré ci-dessous.

Mais dans cet article, les chercheurs remettent ce modèle en question. Ils ont découvert que les trous noirs se présentent différemment car ils sont en fait à des étapes distinctes de leur cycle de vie.

Le modèle unifié des AGN, dont voici la version originale de Padonani et Urry de 1995 et la version de Beckman de 2013, peut se résumer à trois aspects d'un trou noir supermassif correspondants à trois grandes catégories de quasars qui en fait cachent une même réalité. Lorsque les astronomes observe un trou noir le long de l'axe du tore de poussière, d'en haut ou d'en bas, et peuvent avoir une vue dégagée du trou noir, l'AGN est alors appelé "source de type 1" ou "Seyfert 1". Lorsqu'ils observent le tore de poussière de profil et que la vue du trou noir est totalement bloquée par la poussière sur une gamme de longueurs d'ondes allant du proche infrarouge aux rayons X mous, dans ce cas il s'agit de "source de type 2"ou "Seyfert 2". Alors que de nombreux quasars abritant des trous noirs de faible puissance obscurcis par la poussière étaient catalogués parmi les "Seyfert 2", jusqu'en ~2004 peu de leurs homologues de haute puissance étaient connus. L'équipe scientifique européenne AVO dirigée par Paolo Padovani du Space Telescope-European Coordinating Facility et de l'ESO a découvert toute une population de trous noirs supermassifs obscurcis et puissants. Trente de ces objets ont été trouvés dans les champs GOODS (Great Observatories Origins Deep Survey) du HST. Mais en 2022, Ryan Hickox, Tonima Tasnim Ananna et leurs collègues du Collège de Dartmouth ont remis ce modèle en question en proposant un modèle unifié "radiorégulé". En réalité les structures toriques entourant les trous noirs supermassifs ne sont pas toutes identiques et dépendent de leur stade évolutif. Documents Astronomy magazine/Roen Kelly.

La postdoctorante Tonima Tasnim Ananna du Collège de Dartmouth aux Etats-Unis et autrice principale de cet article et Ryan Hickox, professeur de physique et d'astronomie ont découvert que la quantité de poussière et de gaz entourant un trou noir supermassif est directement liée à son taux de croissance. Lorsqu'un trou noir accrète de la matière à un taux élevé, l'énergie qu'il dissipe évacue la poussière et le gaz obscurcissants dans un laps de temps très court. En conséquence, il est plus susceptible d'être dégagé et d'apparaître plus lumineux. C'est donc le taux d'accrétion relatif appelé le "rapport d'Eddington" et non l'angle de visée qui détermine les signatures lumineuses des trous noirs supermassifs et donc les caractéristiques observées des AGN.

Les chercheurs fournissent certaines preuves selon lesquelles il existe des différences fondamentales entre les trous noirs supermassifs affichant différentes signatures lumineuses, et que ces différences ne peuvent pas être expliquées uniquement par le fait que l'observation s'effectue à travers ou au-dessus du tore.

Selon Hickox, "Cela confirme l'idée que les structures toriques autour des trous noirs ne sont pas toutes identiques. Il y a une relation entre la structure et la façon dont elle se développe."

Selon Ananna, "Au fil du temps, nous avons émis de nombreuses hypothèses sur la physique de ces objets. Nous savons maintenant que les propriétés des trous noirs obscurcis sont très différentes de celles des trous noirs non obscurcis."

Les chercheurs suggèrent de réviser le modèle unifié des AGN car les trous noirs supermassifs obscurcis et non obscurcis ne sont pas similaires, non pas en raison de l'angle de visée mais en raison de leurs caractéristiques intrinsèques. Ils proposent un modèle unifié "radiorégulé" comme l'avait suggéré l'équipe de Claudio Ricci en 2017.

Cette découverte devrait permettre aux chercheurs de créer des modèles plus précis de l'évolution des trous noirs mais également de l'évolution de l'Univers.

Plusieurs trous noirs supermassifs dans les grandes galaxies

Les observations des astronomes nous ont prouvé que la plupart des galaxies et les AGN abritent un trou noir supermassif d'au moins 1 million de masses solaires. Une partie d'entre eux résident au centre même des galaxies mais certains peuvent évoluer à travers leur galaxie hôte, évoluant loin du centre. En effet, la plupart seraient situés en dehors du disque galactique, dans le halo, entouré d'étoiles et d'un peu de gaz.

Selon les simulations, ce phénomène doit souvent se produire car les interactions et les fusions de galaxies sont fréquentes. La plus petite galaxie appelée "mergeur" rejoint la plus grande et lui transfert son propre trou noir supermassif central qui va évoluer sur une orbite large de l'ordre du kpc, loin du centre de sa nouvelle galaxie hôte.

Dans une étude publiée dans "The Astrophysical Journal Letters" en 2018, une équipe internationale d'astronomes dirigée par Michael Tremmel de l'Universités de Yale a prédit que les galaxies ayant une masse similaire à celle de la Voie Lactée devraient abriter une bonne dizaine de trous noirs supermassifs. Ces astres existeraient probablement depuis l'époque de l'Univers primordial. Dans le cas de la Voie Lactée, ils estiment qu'elle abriterait environ 5 trous noirs supermassifs dont Sgr A* dans un rayon de 10 kpc autour du centre Galactique et une moyenne de 12 trous noirs supermassifs dans le rayon du viriel, en ne tenant pas compte de ceux existants dans les halos des dizaines de galaxies satellites. Ces nombres sont toutefois grevés d'une incertitude importante de 65 à 69%. Cela signifie que la Voie Lactée pourrait en théorie abriter entre 2 et 20 trous noirs supermassifs !

A voir : Milky Way’s supermassive black hole may have ‘unseen’ siblings

Simulation illustrant l'emplacement possible et la trajectoire des quelques trous noirs supermassifs existants probablement au sein des grandes galaxies comme la Voie Lactée; à part celui situé au centre même de la galaxie, en raison des effets dynamiques liés aux fusions galactiques, ils évoluent à l'écart du centre, dans le halo galactique (cf. la vidéo). Document M.Tremmel et al./Yale University.

On peut alors se demander si l'un des ces trous noirs supermasssifs pourrait évoluer près du système solaire ? Selon Tremmel, étant donné la taille de la Galaxie, le faible nombre de trous noirs supermassifs et l'isolement du système solaire, "il est extrêmement improbable qu'un trou noir supermassif errant se rapproche suffisamment du Soleil pour générer un effet  dans le système solaire. La probabilité d'une telle rencontre serait de l'ordre d'une fois tous les 100 milliards d'années, soit près de 10 fois l'âge actuel de l'Univers." Le risque est donc pour ainsi dire nul. Ouf !

Sachant que les trous noirs supermassifs évoluent loin du coeur des galaxies et à l'extérieur des disques galactiques, il est peu probable qu'ils accrètent beaucoup de gaz; ils sont donc pratiquement invisibles. Le seul moyen de les détecter serait que l'un de ces trous noirs supermassifs évolue à proximité du bras d'Orion. Mais dans ce cas, même situé à quelques milliers d'années-lumière, il a toute les chances d'être caché derrière les nébuleuses et les nuages denses de poussière. De plus il faudrait qu'il perturbe notablement son environnement pour qu'on puisse le détecter. Quand on voit toute les difficultés et les années qu'ont pris les astronomes pour identifier Sgr A*, les plus petits sont pratiquement inobservables avec nos moyens actuels. Ceci dit, Tremmel et son équipe travaillent actuellement sur des méthodes permettant de déduire indirectement leur présence. Affaire à suivre, mais à bonne distance.

AT 2021hdr, la signature d'un trou noir supermassif binaire

Au cours des dernières décennies, des objets dont le comportement s'écarte des variations typiques des AGN ont été découverts. Il s'agit notamment des évènements de perturbation par effet de marée (voir plus bas), des candidats trous noirs supermassifs binaires (BSMBH), des évènements à changement d'apparence (CL), des transitoires nucléaires ambigus (ANT) et des éruptions à variabilité anormale, qui sont dues à des instabilités de disque ou à des perturbations similaires du processus d'accrétion.

De nombreux évènements liés à un trou noir supermassif ont été découverts grâce aux 25 nouvelles installations optiques qui surveillent l'ensemble du ciel à la recherche d'objets variables (transitoires). Parmi elles, l'installation ZTF (Zwicky Transient Facility) du Caltech est installée au foyer du télescope Samuel Oschin de 48' ou 1.22 m de diamètre de l'observatoire du Mont Palomar, en Californie. L'instrument observe la même région du ciel environ tous les 3 jours, ce qui permet de construire des courbes de lumière bien échantillonnées et d'alerter la communauté scientifique des changements significatifs dans le ciel (cf. R.Dekany et al., 2020).

En complément, des données multi-longueurs d'ondes sont souvent cruciales pour évaluer correctement les mécanismes d'émission et l'énergie de ces sources variables. Dans ce but, l'observatoire orbital Neil Gehrels Swift lancé en 2004 est un outil idéal car il permet de répondre rapidement aux demandes d'observations de suivi, en observant les cibles en rayons X, UV et optique.

L'évènement AT 2021hdr fut détecté pour la première fois en mars 2021 par le ZTF. Il fut signalé comme une source potentiellement intéressante par le système ALeRCE (Automatic Learning for the Rapid Classification of Events). Géré par une équipe multidisciplinaire, cet outil combine l'intelligence artificielle avec l'expertise humaine pour signaler les évènements d'intérêts du ciel nocturne à la communauté astronomique.

Dans un article publié dans la revue "Astronomy and Astrophysics" en 2024, l'équipe de Luis Hernández-García de l'Institut d'Astrophysique Millenium (MAS) de Santiago, au Chili, a étudié en détail l'évènement AT 2021hdr.

Depuis la première éruption, ZTF a détecté des éruptions d'AT 2021hdr tous les 60 à 90 jours dont 7 sursauts lumineux de 0.15 à 0.43 magnitude entre 2021 et 2023 et une vingtaine plus faibles entre 2019 et 2020. Au plus fort de ces phases éruptives, la différence de flux radio fut multipliée par 100 ou 200 par rapport à la normale.

Selon l'astrophysicienne Alejandra Muñoz-Arancibia, membre de l'équipe ALeRCE et du Centre de modélisation mathématique de l'Université du Chili et coautrice de cet article, "Bien que l’on ait d'abord pensé que cette éruption était une supernova, les éruptions de 2022 nous ont fait penser à d'autres explications. Chaque évènement ultérieur nous a aidés à affiner notre modèle de ce qui se passe dans le système."

Hernández-García et son équipe ont observé la source avec Swift depuis novembre 2022, ce qui leur permit de déterminer qu'il s'agissait d'un trou noir supermassif binaire (BSMBH) produisant des oscillations dans la lumière ultraviolette et les rayons X sur les mêmes échelles de temps que ZTF les voyait dans le domaine visible.

A voir : Simulation Reveals Spiraling Supermassive Black Holes, NASA-GSFC, 2018

A télécharger : Simulation d'un SMBH binaire, F. Goicovic et al., 2016 (45.5 MB)

Arrêt sur image d'une simulation d'un trou noir supermassif binaire entouré d'un nuage de gaz. L'interaction complexe des forces gravitationnelle, magnétique et de friction provoque la condensation et une élévation de la température du nuage de gaz qui entoure les deux trous noirs qui rend les disques d'accrétionlumineux en UV et rayons X. Une partie du gaz est accrétée par les trous noirs tandis qu'une autre partie est éjectée du système chaque fois que les trous noirs bouclent leur orbite. Document NASA-GSFC (2018). Voir la vidéo ci-dessus sur YouTube.

Le trou noir supermassif binaire se trouve au centre de la galaxie 2MASX J21240027+3409114 située à z = 0.081 soit 1 milliard d'années-lumière dans la constellation du Cygne. Elle est en cours de fusion avec une petite galaxie cataloguée 2MASS J21240037+3409058 située à une distance de 6" ou 9 kpc et constitue donc une galaxie mergeur. Observée avec le VLAA et le VLBA, son noyau ne présente pas de jet intense ni d'émission particulière. D'abord cataloguée comme une galaxie de Seyfert, il s'agit plus exactement d'un noyau LINER (Low-Ionization Nuclear Emission-line Region), la différence étant que le LINER est beaucoup moins lumineux que la Seyfert. Un autre exemple de LINER est la galaxie Sombrero M104 et la Voie Lactée.

Au départ, les chercheurs pensaient que l'émission de AT 2021hdr pouvait être le sous-produit d'une activité normale du noyau de cette galaxie lointaine. Mais vu la répétition des éruptions et leur niveau d'énergie, ils se sont demandés si une perturbation par effet de marée (TDE), c'est-à-dire la destruction d'une étoile qui s'est approchée trop près de l'un des trous noirs, n'en serait pas responsable.

Finalement, ils ont opté pour une autre possibilité, un TDE produit par un nuage de gaz plus grand que la paire de trous noirs supermassifs elle-même. Lorsque le nuage rencontre les trous noirs, la gravité le déchire, formant des filaments qui sont accrétés dans le disque d'accrétion des deux trous noirs supermassifs. Le gaz devient alors particulièrement dense et chaud et rend les disques d'accrétion lumineux en UV et en rayons X. L'interaction complexe entre la paire de trous noirs engendre des forces qui finissent par éjecter une partie du gaz hors du système à chaque rotation. Ce sont ces interactions qui produisent la lumière fluctuante observée par Swift et le ZTF.

C'est la première fois que des scientifiques découvrent grâce au satellite Swift le signal d'un BSMBH perturbant un nuage de gaz au centre d'une galaxie.

Les deux trous noirs sont séparés d'environ 26 milliards de kilomètres, suffisamment proches pour que la lumière ne mette qu'une journée pour voyager entre eux. Ensemble, ils représentent l'équivalent de 40 millions de masses solaires.

Les chercheurs estiment que les deux trous noirs effectuent une orbite complète autour de leur barycentre en 130 jours et qu'ils entreront en collision et fusionneront dans environ 70000 ans.

La majorité des trous noirs fusionnés ne sont pas orientés

Dans un article publié dans les "Physical Review Letters" en 2025, une équipe internationale de chercheurs a mené une étude innovante pour tester l'existence d'une chiralité, une propriété géométrique que les physiciens appellent "l'asymétrie miroir" dans notre Univers en étudiant la polarisation des ondes gravitationnelles générées par 47 trous noirs binaires (BBH) ayant fusionné détectées par aLIGO et Virgo (cf. J.Calderón Bustillo et al., 2025 et en PDF sur arXiv).

Cette analyse est essentielle pour tester l'hypothèse de symétrie miroir à grande échelle dans l'Univers et pour comprendre les propriétés intrinsèques des fusions de trous noirs détectées par a LIGO et Virgo.

Les chercheurs ont analysé plusieurs paramètres :

- Le paramètre gravitationnel de Stokes (V_GW) : ce paramètre quantifie le degré de polarisation circulaire nette des ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de deux trous noirs en précession. Une polarisation circulaire nette indique une asymétrie miroir dans l'émission des ondes, ce qui pourrait avoir des implications cosmologiques importantes. 

- Le paramètre de précession orbitale effective (χ_p) : ce paramètre mesure l'effet de la précession des spins des trous noirs sur l'orbite du système binaire. Il est couramment utilisé pour caractériser les effets de précession dans les observations d'ondes gravitationnelles des coalescences de trous noirs binaires

Une corrélation entre ces paramètres pourrait indiquer que des trous noirs binaires avec une précession plus prononcée (valeurs élevées de χₚ) tendent à produire une polarisation circulaire nette plus significative (valeurs élevées du paramètre V_GW).

- L'hélicité (h) : ce paramètre mesure le degré de polarisation circulaire des ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de deux trous noirs en précession. Une hélicité non nulle indique une asymétrie entre les composantes de polarisation droite et gauche, suggérant une possible violation de la symétrie miroir.

- La vitesse de recul transversale (K^J) : la composante transversale de cette vitesse est influencée par la dynamique de la fusion, notamment par la précession des spins des trous noirs.

Dans cette étude, les auteurs ont obtenu trois résultats principaux. Tout d'abord, les résultats sont cohérents avec une polarisation moyenne nulle des sources, conformément au principe cosmologique. Mais étant donné que les données statistiques sont très limitées, il reste des incertitudes qui nécessiteront des études complémentaires.

Deuxièmement, l'étude n'a identifié qu'un seul système - GW200129 - qui brise cette symétrie miroir. Cependant, elle indique également qu'au moins 82% des fusions de trous noirs binaires étudiés respectent cette symétrie, même si ces cas ne peuvent pas être identifiés individuellement.

Selon Koustav Chandra,postdoctorant à l'Université d'Etat de Pennsylvanie (Penn State) et coauteur de cette étude, "Il est assez naturel que GW200129 brise la symétrie miroir, car ce système est connu pour avoir un plan orbital en précession. Cependant, nos résultats indiquent que de nombreuses fusions le brisent également, ce qui suggère que celles-ci pourraient également avoir des plans orbitaux en précession. Ces résultats inattendus pourraient avoir des implications de grande portée, car la précession est une signature de la formation hiérarchique des trous noirs."

A gauche, relation entre deux paramètres clés dans l'étude des ondes gravitationnelles émises par des fusions de trous noirs en précession, le paramètre gravitationnel de Stokes VGW et le paramètre de précession orbitale effective χp. Même en se limitant à des valeurs élevées de χp, on constate une asymétrie miroir pour GW200129 qui ne découle pas de celle de la précession orbitale mais de fusions en précession. A droite, corrélation linéaire entre l'hélicité h, la vitesse de recul transversale KJ et le paramètre gravitationnel de Stokes VGW. Les axes x et y montrent respectivement les projections de la vitesse de recul K sur la direction du moment angulaire total J et sur la direction finale du spin âf du trou noir. Cette dernière quantité peut être comprise comme proportionnelle à l'hélicité finale du trou noir. Les vitesses de VGW concordent avec les signes de KJ et h. Les points correspondent à un ensemble de 500000 trous noirs binaires tirés d'une population avec des masses uniformes et des spins isotropes. Voir le texte pour les explications. Documents S.H.W. Leong et al. (2025).

Enfin, les résultats sont également d'un grand intérêt pour le domaine de la gravité quantique. Selon Adrian del Rio de l'Université Carlos III de Madrid et coauteur de cette étude, "Dans une étude précédente, nous avons démontré que les fusions asymétriques miroirs pouvaient produire une émission nette de photons polarisés depuis le vide quantique, par un processus similaire au rayonnement de Hawking. Notre étude a identifié la première source viable – GW200129 – qui peut produire cet effet."

Mais del Rio souligne cependant le point le plus intéressant de l'étude : "Les équations de la gravité d'Einstein, qui régissent le comportement à grande échelle de l'Univers, autorisent une source gravitationnelle gauchère (ou droitière) pour chaque source de sens opposé. Ces équations, cependant, ne nécessitent pas l'existence des deux types de sources dans les mêmes proportions dans l'Univers. Notre travail nous permet de tester si la gravité (ou notre Univers) possède des mécanismes "cachés" pour produire des asymétries." Indirectement, cette nouvelle méthode a un énorme potentiel car elle pourrait aider les astronomes à résoudre le mystère derrière la "tension de Hubble".

Dans un second article publié sur "arXiv" en 2025 (non validé), les mêmes auteurs ont évalué les éventuelles corrélations entre le degré de polarisation des ondes gravitationnelles et la magnitude de la chiralité.

Les chercheurs ont montré que les fusions de trous noirs émettent des ondes gravitationnelles non-isotropes, présentant ce qu'on appelle une "vitesse de recul transversale" (velocity recoil) : lors de la fusion de deux trous noirs, le système résultant peut recevoir une impulsion, entraînant une vitesse de recul (comme lorsque vous tirez avec une arme à feu, cela provoque un recul).

Le trou noir final résultant d'une fusion présente également une rotation. Comme quand on lance un objet dans l'air, cette rotation peut être soit à droite, soit à gauche par rapport à sa direction du mouvement. Les auteurs ont découvert que "la polarisation nette des ondes est linéairement liée à l'hélicité du trou noir final."

Cette découverte rappelle le phénomène de chiralité en biologie et l'asymétrie de l'interaction faible (cf. l'asymétrie CP) dans lesquels des réactions respectivement biochimiques et quantiques ne sont pas superposables à leur image dans un miroir car il existe une direction privilégiée. Selon Calderon Bustillo de l'Université de Saint Jacques de Compostelle et coauteur de cette seconde étude, "Dans notre cas, nous faisons quelque chose de très similaire en testant si les trous noirs résultant de la fusion de trous noirs reculent de préférence "vers le haut" ou "vers le bas" par rapport à la direction de leur spin."

Effet de la torsion gravitationnelle

Si on ne comprend pas encore très bien comment se forme un trou noir supermassif, encore moins dans l'Univers primitif, on peut simuler sa formation pour tenter de comprendre comment il devient supermassif, comme le fit l'équipe de Chris Nixon de l'Université du Colorado, aujourd'hui à l'Université de Leeds. Les résultats de leur étude ont fait l'objet d'un article publié dans les "MNRAS" en 2013.

Les auteurs ont simulé un système binaire de trous noirs afin d'étudier l'évolution d'un disque d'accrétion désaligné autour du système. Par souci de simplicité, ils ont analysé un système binaire circulaire de masse égale, agissant sous les effets de la gravité newtonienne. La seule variable dans leurs modèles était l'inclinaison du disque, qui variait entre 0° (parfaitement aligné) et 120°. Les résultats de leurs simulations sont illustré ci-dessous.

A voir : Tearing up discs: tilted black hole accretion - large inclination, C.Nixon, 2013

A gauche, simulation du disque d'accrétion d'un trou noir binaire vu dans le plan du système binaire (de profil). A droite, même simulation sous des angles différents. Les disques d'accrétion désalignés par rapport à l'axe de rotation engendrent une précession qui déforme le disque. Dans ce cas, le transfert de la précession par viscosité n'est pas assez fort pour maintenir la cohésion du disque qui se disloque en plusieurs plans et accentue fortement l'accrétion. Voir aussi la vidéo ci-dessus sur YouTube. Documents C.Nixon et al. (2013).

Lorsque deux galaxies entrent en collision, leurs trou noirs supermassifs respectifs plongent au centre de la galaxie fusionnée et forment un système binaire jusqu'à ce qu'il merge en un seul trou noir. Les simulations montrent que le disque d'accrétion entourant les trous noirs binaires se désaligne par rapport à l'orbite du système. Pour presque toutes les inclinaisons, le disque finit par se disploquer en plusieurs plans distincts qui sont accrétés par les trous noirs, leur permettant de devenir plus massifs.

Selon Nixon, dans une galaxie en fusion, les flux de gaz sont turbulents et chaotiques. Pour cette raison, "tout gaz alimentant les trous noirs supermassifs binaires est susceptible de présenter un moment cinétique non corrélé avec l'orbite. Par conséquent, un disque d'accrétion se forme selon un angle aléatoire par rapport à l'orbite du système binaire." Dans la plupart des cas, "cela conduit à une accrétion dynamique directe sur le trou dans environ 70% des cas."

Selon Nixon, "Les couples de torsion gravitationnels du système binaire sont capables de maîtriser le transfert interne dans le disque de gaz (en termes de pression et de viscosité). Cela permet d'arracher les anneaux de gaz, qui peuvent ensuite être accrétés beaucoup plus rapidement." Une telle dislocation peut produire un taux d'accrétion 10000 fois supérieur à celui du même disque aligné (prograde et coplanaire). L'accrétion est 6 fois plus importante lorsque le disque est incliné à 120° (6.1%) qu'à 45° (1.2%) et quasi nulle lorsque le disque n'est pas incliné (0.1%).

Dans tous les cas, le gaz interagira dynamiquement avec le système binaire. S'il n'est pas accrété directement sur les trous noirs, il sera projeté sur de grandes distances. Selon les auteurs, la dislocation du disque d'accrétion suggère que de nouvelles signatures observables sous forme de chocs ou de formation d'étoiles pourraient être recherchées autour de trous noirs supermassifs binaires et d'autres systèmes tels que les binaires protostellaires.

Dix ans après cette étude, dans un article publié dans les "MNRAS" en 2023, Rebecca G. Martin, Chris Nixon et leurs collègues ont cette fois examiné l'évolution d'un disque d'accrétion entourant un trou noir binaire, en tenant compte des effets de la relativité générale. Les résultats confirment l'étude antérieure.

Selon les auteurs, "une masse de disque représentant seulement quelques pour cent de la masse [du système] binaire peut augmenter considérablement l'excentricité du [système] binaire à travers des oscillations de type ZKL (von Zeipel-Kozai-Lidov) [...au point de] provoquer la rupture du disque [...] avec la formation d'un anneau interne qui s'aligne rapidement sur l'anneau polaire. Ce dernier entraîne une précession absidale rétrograde rapide du [système] binaire qui affaiblit l'effet ZKL. Cela permet à l'excentricité [du système] binaire de rester à un niveau élevé qui peut réduire considérablement le temps de fusion des trous noirs. Le mécanisme nécessite que l'inclinaison initiale du disque par rapport au [système] binaire soit plus proche de [l'orbite] rétrograde que de la prograde."

Prochain chapitre

Les perturbations par effet de marée (TDE)