Il est généralement convenu d’appeler « Âge d’or » de la physique théorique des trous noirs, la période qui s’étend depuis la découverte en 1963 par Roy Kerr, de sa solution décrivant un trou noir en rotation jusqu’à la découverte par Stephen Hawking de l’évaporation des trous noirs en 1973. Les travaux de plusieurs physiciens et mathématiciens de l’époque allaient permettre de donner un sens précis et rigoureux à ce qu’il fallait entendre par trou noir dans le cadre de la théorie de la relativité générale ainsi que leurs principales propriétés – comme le fameux théorème sur la croissance de l’aire de l’horizon des trous noirs que l’on doit à Hawking.

On est encore loin de tout comprendre en ce qui concerne les trous noirs, mais on peut sans doute avancer l’hypothèse que nous sommes au début d’un nouvel âge de la physique et surtout de l’astrophysique des trous noirs depuis la détection directe sur Terre des ondes gravitationnelles produites par la fusion de trous noirs stellaires il y a 10 ans. La prochaine étape dans ce domaine récent de l’astronomie devrait survenir à l’horizon des années 2030 avec la détection dans l’espace des ondes gravitationnelles de la fusion des trous noirs supermassifs par la mission eLisa.

Une autre contribution majeure à ce nouvel âge de l’astrophysique des trous noirs vient aussi depuis la dernière décennie de la radioastronomie. On peut citer bien sûr les images de l’ombre de l’horizon des événements des trous noirs supermassifs fournies par la collaboration de l’Event Horizon Telescope (EHT). Mais, aujourd’hui, on peut parler aussi des premières images radio de deux trous noirs supermassifs en orbite l’un autour de l’autre révélées dans les données archivées du Hubble russe qu’était le satellite RadioAstron.


Deux trous noirs en orbite l’un autour de l’autre dans le quasar OJ287. À gauche, un diagramme théorique, calculé par Lankeswar Dey, montre où se trouvaient les trous noirs et les jets qui en émanent au moment de la prise de vue. À droite, une partie d’une image prise par le système, incluant le satellite RadioAstron (J.L. Gomez et al., 2022), où les deux points brillants inférieurs représentent l’émission radio des deux trous noirs, et le point supérieur le jet du plus petit trou noir. Ce dernier est représenté par une ligne pointillée sur le diagramme de gauche, tandis que les trous noirs sont représentés par des points. © University of Turku

Un quasar de 18 milliards de masses solaires

Comme le montre un article publié dans The Astrophysical Journal, mais dont une version en accès libre existe aussi sur arXiv, ces images concernent OJ 287.

C’est un quasar situé à environ 3,5 milliards d’années de la Voie lactée dans la direction de la constellation du Cancer. Il doit son existence à la présence d’un des plus massifs trous noirs observés puisqu’il contient environ 18 milliards de masses solaires.

Techniquement, il s’agit d’un type de galaxie active nommé d’après l’objet typique BL Lacertae. Ce dernier est même un blazar (en anglais : blazing quasi-stellar radiosource, que l’on peut traduire par « source radio flamboyante quasi stellaire »), ce qui veut dire qu’il s’agit d’un trou noir supermassif dont le jet de matière et son rayonnement sont dirigés presque vers nous.

Mais son autre particularité, c’est qu’il n’est pas seul. Un trou noir, également supermassif, mais ne contenant que 150 millions de masses solaires (celui de la Voie lactée en contient 4 environ) est en orbite très rapprochée autour de lui.


Illustration artistique d’OJ287 en tant que système de trous noirs binaires. Le trou noir secondaire de 150 millions de masses solaires se déplace autour du trou noir primaire de 18 milliards de masses solaires. Un disque de gaz entoure ce dernier. Le trou noir secondaire est forcé d’impacter le disque d’accrétion deux fois au cours de son orbite de 12 ans. © AAS 2018

Ce second trou noir ne met que 12 ans pour boucler cette orbite, mais celle-ci est inclinée au-dessus du plan du disque d’accrétion entourant le trou noir principal et elle subit un mouvement de précession comme dans le cas de Mercure autour du Soleil, du fait de la théorie de la relativité générale. Le petit trou noir passe donc deux fois à travers le disque d’accrétion pendant une période de 12 ans, mais à des dates qui peuvent être espacées d’un à dix ans et ce, depuis des décennies que l’on observe – comme l’illustre la vidéo ci-dessous.

À chaque passage dans le disque d’accrétion, il se produit une brusque éruption qui fait quadrupler la brillance du quasar pendant 48 heures, comme si un milliard d’étoiles s’allumaient brutalement, ce qui est supérieur à la luminosité de la Voie lactée. Ces éruptions lumineuses sont observées par les astronomes depuis 1888.

Les analyses des images de OJ 287 sont le résultat des recherches d’une équipe internationale d’astrophysiciens – parmi lesquels se trouvent des membres de l’Université de Turku en Finlande – qui a mis en ligne à cette occasion un communiqué.

Cette animation montre la trajectoire du trou noir autour du trou noir supermassif derrière le quasar OJ 287. Elle traverse plusieurs fois un disque d’accrétion vu par la tranche et chaque traversée donne lieu à une brusque éruption produisant une brusque augmentation de la luminosité du quasar et ce, depuis au moins les années 1900. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa, JPL, Abhimanyu Susobhanan (Tata Institute of Fundamental Research)RadioAstron, le Hubble russe des ondes radio

Mauri Valtonen y explique : « Pour la première fois, nous avons réussi à obtenir une image de deux trous noirs tournant l’un autour de l’autre. Sur cette image, les trous noirs sont identifiés par les jets intenses de particules qu’ils émettent. Les trous noirs eux-mêmes sont parfaitement noirs, mais ils peuvent être détectés par ces jets de particules ou par le gaz incandescent qui les entoure. » 

Il ajoute : « L’image des deux trous noirs a été prise grâce à un système de radiotélescopes incluant le satellite RadioAstron. Il était en service il y a dix ans, lorsque OJ287 a été photographié. L’antenne radio du satellite se trouvait à mi-chemin de la Lune, ce qui a considérablement amélioré la résolution de l’image. Ces dernières années, nous n’avons pu utiliser que des télescopes terrestres, dont la résolution est moins bonne. »

RadioAstron était un radiotélescope doté d’un miroir de 10 mètres de diamètre lancé du cosmodrome de Baïkonour, situé au centre du Kazakhstan. C’est de ce même cosmodrome que sont partis Youri Gagarine et Valentina Terechkova.

Bien que dans l’espace, il permettait de faire de la synthèse d’ouverture avec des radiotélescopes au sol. En utilisant cette technique d’interférométrie, on peut alors disposer de l’équivalent d’un radiotélescope dont le diamètre du miroir peut se compter en milliers de kilomètres, et même plus lorsque RadioAstron se trouvait sur une orbite elliptique, avec un apogée à 360 000 kilomètres. Il permettait donc de réaliser l’équivalent d’un instrument de cette taille offrant, dans le domaine des ondes radio centimétriques à décacentimétriques, une résolution mille fois supérieure à celle de Hubble dans le visible !

Une présentation de RadioAstron et ses découvertes par Yuri Kovalev de l’Institut Lebedev à Moscou, le scientifique en charge du projet RadioAstron. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Roscosmos

Le saviez-vous

Il y a environ 50 ans, la technique des occultations a permis de déterminer la contrepartie dans le visible de ce qui n’était alors qu’une étonnante source radio puissante : 3C 273. Lorsque Maarten Schmidt, un astronome néerlandais, a ensuite fait l’analyse spectrale de la lumière de l’astre toujours dans le visible, il découvrit avec stupéfaction des lignes d’émissions de l’hydrogène fortement décalées vers le rouge.

Or, 3C 273 apparaissait dans le visible comme une étoile alors que ce résultat impliquait qu’il se situât en dehors de la Voie lactée à une distance cosmologique. Pour être observable d’aussi loin, l’objet devait donc être d’une luminosité prodigieuse. D’autres quasi-stellar radio sources, des quasars selon la dénomination proposée en 1964 par l’astrophysicien d’origine chinoise Hong-Yee Chiu, n’allaient pas tarder à être découverts. On en connaît aujourd’hui plus de 200 000.

Les astrophysiciens ont très tôt cherché à comprendre la nature de ces astres qui, bien que libérant d’énormes quantités d’énergie, semblaient être de petite taille. On a d’abord pensé qu’il pouvait s’agir d’énormes étoiles dominées par les effets de la relativité générale, notamment responsable du décalage spectral, avant d’envisager assez rapidement qu’il pouvait s’agir de trous noirs supermassifs accrétant d’importantes quantités de gaz.

Dans le bestiaire des astres relativistes que l’on commençait à explorer sérieusement pendant les années 1960, certains, comme le Russe Igor Novikov et l’Israélien Yuval Ne’eman, ont même proposé que les quasars soient en fait des trous blancs. C’est-à-dire, soit des régions de l’Univers dont l’expansion au moment du Big Bang avait été retardée (hypothèse des lagging core), soit l’autre extrémité de trous de ver éjectant la matière qu’ils avaient absorbée sous forme de trous noirs dans une autre partie du cosmos, voire dans un autre univers.