Les astronomes ont découvert un système binaire présumé serré composé de deux trous noirs supermassifs au centre de la galaxie active Markarian 501 (Mrk 501 en abrégé). Les recherches pertinentes ont été menées par l'Institut Max Planck de radioastronomie en Allemagne et ont été acceptées par les avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

Les observations radio à haute résolution à long terme montrent qu'il existe non seulement un puissant jet de particules connu depuis longtemps au cœur de la galaxie (un jet fait référence à un flux de particules de haute énergie éjectées à une vitesse proche de la vitesse de la lumière), mais également un deuxième jet caché, fournissant une preuve directe de l'existence d'une paire de trous noirs supermassifs en orbite extrêmement proches l'un de l'autre.

Les recherches actuelles montrent que presque toutes les grandes galaxies résident au centre d’un trou noir supermassif dont la masse est de plusieurs millions à plusieurs milliards de fois celle du soleil. Cependant, il est difficile d’atteindre une telle « taille » à l’ère de l’univers simplement en accrétant le gaz environnant. Par conséquent, les fusions entre trous noirs sont considérées comme l’un des moyens importants de « grossir ». Il n’est pas rare d’observer des collisions entre galaxies, et on suppose également que les trous noirs situés au centre de ces galaxies devraient progressivement se rapprocher sous l’influence de la gravité et éventuellement fusionner. Cependant, les modèles théoriques sont encore imparfaits dans la description de cette « étape finale », et l’existence d’un système de « trou noir binaire proche » n’a jamais été confirmé de manière fiable par l’imagerie auparavant. Cette observation de Mrk 501 constitue une pièce clé du puzzle de cette image astrophysique de longue date.

L'équipe de recherche a mené une analyse systématique des données d'observation dans la région centrale de Mrk 501 à différentes fréquences radio sur une période d'environ 23 ans. Les données provenaient d'un réseau de radiotélescopes répartis dans le monde entier, formant une résolution angulaire extrêmement élevée. Les résultats ont montré qu’en plus du jet connu pointant vers la Terre et particulièrement brillant, il y avait également un deuxième jet caché dans les données. Sa direction était évidemment différente de celle du premier avion, et il a montré des changements de position importants en quelques semaines seulement. Grâce à la comparaison de données multi-époques, les astronomes ont non seulement « vu » le deuxième jet, mais ont également suivi son orbite, ce qui a été interprété comme l'effet de projection de son orbite autour d'un autre trou noir.

Les enregistrements d'observation montrent que le deuxième jet semble être émis derrière le trou noir connu avec une masse plus grande et orbite dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, montrant des changements de déplacement périodiques dans les observations continues, comme si l'ensemble du système de jets « oscillait ». L’équipe de recherche a expliqué ce phénomène comme le balancement du plan orbital du système binaire de trous noirs : les deux trous noirs tournent autour l’un de l’autre, provoquant un changement constant de l’angle entre la direction du jet et notre ligne de mire. Lors d’une observation réalisée en juin 2022, le rayonnement du système à réaction est arrivé sur Terre via un chemin extrêmement « asymétrique ». Sous l'effet de flexion de la forte gravité du trou noir connu au premier plan, la lumière du jet arrière a été "attirée" dans une structure approximativement en forme d'anneau, appelée "anneau d'Einstein". Cela conforte fortement l’explication selon laquelle « le trou noir du premier plan agit comme une lentille gravitationnelle et le jet d’arrière-plan provient du deuxième trou noir ».

En analysant la périodicité des changements de luminosité du jet et l'évolution de sa position, l'équipe de recherche a calculé qu'il faut environ 121 jours pour que les deux trous noirs tournent autour l'un de l'autre. La distance qui les sépare est estimée à environ 250 à 540 fois la distance entre la Terre et le Soleil - c'est encore une échelle énorme pour les étoiles ordinaires, mais pour les trous noirs supermassifs avec des masses comprises entre 100 millions et 1 milliard de masses solaires, cette distance est déjà assez « serrée ». Sur la base de la plage de masse et des paramètres orbitaux, ce système binaire de trous noirs pourrait éventuellement fusionner en raison de la perte d'énergie orbitale due au rayonnement gravitationnel dans à peine 100 ans environ. Cette échelle de temps est considérée comme « imminente » dans l’évolution de l’univers.

Il convient de mentionner que bien que les deux trous noirs eux-mêmes soient extrêmement énormes, parce que Mrk 501 est extrêmement éloigné de la terre, même le Event Horizon Telescope (EHT), qui a photographié la structure annulaire de « l'horizon des événements » du trou noir, est actuellement incapable de les résoudre directement en deux corps célestes indépendants. À mesure que le rayon orbital diminue encore, le « cercle de rotation final » du système binaire de trous noirs sera toujours difficile à voir directement en imagerie, mais les scientifiques espèrent capturer ses dernières étapes grâce à un autre « signal » : le rayonnement des ondes gravitationnelles dans la bande de fréquences extrêmement basses. Ces signaux devraient être détectés grâce à la méthode d'observation « Pulsar Timing Array » (PTA), qui « entend » le fond d'ondes gravitationnelles à grande échelle de l'univers en surveillant avec précision les micro-perturbations périodiques des pulsars millisecondes.

En fait, les binaires de trous noirs supermassifs sont déjà l'une des principales sources candidates pour expliquer le signal de « fond d'ondes gravitationnelles » signalé par des équipes telles que le Pulsar Timing Array européen en 2023. Mrk 501 est désormais devenu un « laboratoire cible » très précieux, qui devrait faire correspondre directement certains signaux d'ondes gravitationnelles basse fréquence mesurés par PTA avec des systèmes de trous noirs binaires spécifiques, donnant au « fond » statistique précédent une identité claire des corps célestes. Les collaborateurs de recherche ont souligné que si les ondes gravitationnelles pouvaient être capturées avec succès dans la direction de cette source à l'avenir, non seulement elles devraient voir leur fréquence augmenter progressivement au fil du temps, ce qui correspond au processus de rapprochement des trous noirs, mais ils pourraient également être en mesure d'obtenir pour la première fois des enregistrements d'évolution proches du « suivi en temps réel » à l'échelle des « fusions de trous noirs supermassifs ».

Dans cette étude, Silke Britzen, Frédéric Jaron et Nicholas Roy McDonald de l'Institut Max Planck de radioastronomie sont co-auteurs, et les résultats pertinents seront publiés dans les Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. Cette paire d'étoiles binaires de trou noir supermassif au centre de Mrk 501 fournit non seulement un cas clé pour comprendre comment le trou noir au centre de la Voie lactée se développe, mais ouvre également un « champ de tir » rare pour la future astronomie des ondes gravitationnelles basée sur le timing des pulsars, permettant aux humains d'assister de nos propres yeux à une « fusion de trous noirs » à l'échelle cosmique au cours des prochaines décennies, voire centaines d'années.