« Ombres » à l’échelle de deux trous noirs supermassifs en cours de collision

En train de fusionner des trous noirs supermassifs, une nouvelle façon de mesurer le vide

Les scientifiques ont découvert un moyen de quantifier les «ombres» de deux trous noirs supermassifs en train de se heurter, offrant aux astronomes un nouvel outil potentiel pour mesurer les trous noirs dans les galaxies lointaines et tester des théories gravitationnelles alternatives.

Il y a trois ans, le monde était stupéfait par la première image d’un trou noir. Un trou noir sorti de nulle part entouré d’un anneau de lumière ardente. Cette image emblématique de[{ » attribute= » »>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.

Simulation de lentilles gravitationnelles dans une paire de trous noirs compacts supermassifs. Crédit : Jordi Devalar

Cette technique n’a que deux exigences. Tout d’abord, vous avez besoin d’une paire de trous noirs supermassifs au milieu d’une fusion. Deuxièmement, vous devriez regarder la paire à peu près sous un angle latéral. De cette vue latérale, lorsqu’un trou noir passe devant l’autre, vous devriez être en mesure de voir un flash de lumière brillant alors que l’anneau lumineux du trou noir est agrandi 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 ce que les chercheurs ont découvert ici était un signal subtil : une baisse de luminosité caractéristique correspondant à « l’ombre » du trou noir en arrière-plan. Cette gradation subtile peut durer de quelques heures à quelques jours, selon la taille des trous noirs et l’enchevêtrement de leurs orbites. Si vous mesurez la durée de la goutte, disent les chercheurs, vous pouvez estimer la taille et la forme de l’ombre créée par l’horizon des événements d’un 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 fusionnés supermassifs, le trou noir le plus proche du spectateur se rapproche et apparaît ainsi bleu (Encadré 1), gonflant le trou noir décalé vers le rouge derrière à travers une lentille gravitationnelle. Alors que le trou noir le plus proche amplifie la lumière du trou noir plus éloigné (Encadré 2), le spectateur voit un éclair lumineux. Mais lorsque le trou noir le plus proche passe devant un abysse ou l’ombre du trou noir le plus éloigné, le spectateur constate une légère diminution de la luminosité (Encadré 3). Cette diminution de la luminosité (3) est clairement visible dans les données de la courbe de lumière sous les images. Crédit : Jordi Devalar

« Il a fallu des années et des efforts considérables à des dizaines de scientifiques pour créer cette image haute résolution des trous noirs de M87 », a déclaré le premier auteur de l’étude, Jordi Davilar, postdoctorant à Columbia et au Flatiron Center for Computational Astrophysics. « Cette approche ne fonctionne qu’avec les trous noirs les plus grands et les plus proches – la paire au cœur de M87 et peut-être notre Voie lactée. »

Il a ajouté : « Avec notre méthode, vous mesurez la luminosité des trous noirs au fil du temps, et vous n’avez pas besoin de résoudre spatialement chaque objet. Il devrait être possible de trouver ce signal dans de nombreuses galaxies. »

L’ombre du trou noir est 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 comment la matière tombe dans le trou noir près de son horizon », a déclaré le co-auteur Zoltan Haiman, professeur de physique à l’Université de Columbia.

Lorsqu’une fusion de trous noirs supermassifs est observée de côté, le trou noir le plus proche du spectateur agrandit le trou noir plus loin par l’effet d’une lentille gravitationnelle. Les chercheurs ont détecté une courte baisse de luminosité correspondant à « l’ombre » du trou noir distant, permettant au spectateur d’évaluer sa taille. 1 crédit

Les ombres d’un trou noir peuvent cacher 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. Par conséquent, les physiciens les ont recherchés pour tester des théories alternatives de la gravité dans le but de concilier deux idées concurrentes sur le fonctionnement de la nature : la relativité générale d’Einstein, qui explique des phénomènes à grande échelle tels que la rotation planétaire et un univers en expansion, et la physique quantique, qui explique comment de petites particules telles que les électrons et les photons occupent simultanément plusieurs états.

Les chercheurs se sont ensuite intéressés à l’allumage de trous noirs supermassifs Contremaître Une paire présumée de trous noirs supermassifs au centre d’une galaxie lointaine dans l’univers primitif.[{ » 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