Une équipe internationale de recherche scientifique dirigée par l'Institut Max Planck de radioastronomie en Allemagne a annoncé avoir obtenu la première preuve directe de l'existence d'une paire de trous noirs supermassifs en orbite rapprochée dans la galaxie active Hercules Markarian 501 (Mrk 501), à des centaines de millions d'années-lumière de la Terre. La recherche montre que la paire de trous noirs est exposée à travers deux jets à haute énergie. La distance qui les sépare n’équivaut qu’à 250 à 540 distances Soleil-Terre. La masse totale peut atteindre des centaines de millions, voire des milliards de soleils. Théoriquement, ils pourraient fusionner dans environ 100 ans et produire des ondes gravitationnelles basse fréquence détectables.

Les observations et théories actuelles pensent généralement qu’il existe un trou noir supermassif caché au centre de presque toutes les grandes galaxies, avec une masse allant de millions à milliards de soleils. Cependant, la manière dont ces géants se développent rapidement à l’échelle du temps cosmique reste un mystère clé non résolu en astrophysique. Il est difficile d’expliquer leur croissance massive uniquement par l’accumulation lente du gaz environnant, c’est pourquoi les chercheurs ont toujours soupçonné que les fusions entre trous noirs à grande échelle jouaient un rôle important. Étant donné que les collisions de galaxies sont assez courantes dans l’univers, il est considéré comme un processus inévitable que les trous noirs centraux se rapprochent progressivement sous l’influence de la gravité et forment un système binaire de trous noirs. Cependant, jusqu’à cette observation, la communauté astronomique n’avait pas clairement identifié une paire de trous noirs supermassifs au stade compact final.

L'étude a ciblé Mrk 501, une classe bien connue de galaxies blazars dont le trou noir central est connu depuis longtemps et est célèbre pour son jet relativiste dirigé presque vers la Terre. Pour sonder profondément le cœur de la galaxie, l’équipe a compilé et analysé des données d’observation radio à haute résolution s’étalant sur environ 23 ans et dans plusieurs bandes de fréquences provenant de dizaines de missions d’observation, avec une résolution suffisamment élevée pour suivre l’évolution des fines structures des jets au fil du temps. À la grande surprise des chercheurs, en plus du célèbre jet principal se dirigeant vers la Terre, ils ont identifié un deuxième jet près du noyau.

Silke Britzen, le premier auteur de l'article, a souligné que c'était la première fois que la structure de ce type de système était clairement visualisée au cœur d'une galaxie, fournissant ainsi une preuve directe et solide de l'existence d'un deuxième trou noir supermassif. Dans les images, l'équipe a marqué des points lumineux dans le jet grâce à des contours d'intensité égale et à un ajustement de modèle, et a comparé le déplacement et les changements morphologiques de ces structures entre différents jours d'observation pour suivre le mouvement du jet. Les résultats ont montré que le jet précédemment connu (appelé « Jet 1 ») était clairement pointé vers la Terre, tandis que le « Jet 2 » nouvellement découvert pointait dans une direction différente, changeant considérablement en quelques semaines seulement, les points de départ des deux jets étant extrêmement proches au cœur de la galaxie.

Pour les astronomes, Jet 1 semble inhabituellement brillant car il se dirige presque directement vers nous et constitue un exemple classique de jets relativistes depuis de nombreuses années. En revanche, Jet 2 est orienté loin de la ligne de mire et a longtemps été difficile à résoudre à cause de la structure radio complexe. Dans les dernières données, les chercheurs ont découvert que ce deuxième jet semble « jaillir » de derrière le trou noir le plus massif et se déplace autour de lui dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, formant des changements géométriques et des changements de luminosité périodiques. Blitzen a décrit le processus d'analyse des données comme "comme se tenir sur un navire et observer le balancement de l'ensemble du système à réaction". Ce n’est qu’en introduisant un système de double trou noir et en permettant à son plan orbital de osciller que cette série de phénomènes dynamiques peut être raisonnablement expliquée.

Plus dramatique encore, lors d'une observation en juin 2022, le trajet du rayonnement du système a été gravement déformé, créant une caractéristique de type « anneau d'Einstein » dans l'image. L’équipe de recherche estime qu’à cette époque, le système était presque parfaitement aligné avec la ligne de mire de la Terre. Le plus grand trou noir au premier plan a courbé la lumière du jet d’arrière-plan comme une lentille, la faisant apparaître en forme d’anneau. Il s’agit d’un fort effet de lentille gravitationnelle typique. Ce phénomène rare conforte en outre le cadre explicatif de « doubles trous noirs + doubles jets + lentilles gravitationnelles ».

En analysant les changements de luminosité à long terme et les changements périodiques dans la morphologie des jets, l’équipe de recherche a déduit que les deux trous noirs supermassifs orbitaient l’un autour de l’autre sur une période d’environ 121 jours. Leur distance équivaut à 250 à 540 distances moyennes Terre-Soleil, soit environ 2,32 à 5,02 milliards de miles (environ 37,4 à 80,8 milliards de kilomètres), une distance orbitale extrêmement proche pour des objets dont la masse est comprise entre 100 millions et un milliard de soleils. Selon des modèles de calcul de différentes combinaisons de masses, la paire de trous noirs pourrait perdre davantage d'énergie orbitale et éventuellement fusionner en à peine une centaine d'années, devenant ainsi un rare candidat à la fusion de trous noirs supermassifs « quasi-en temps réel » dans l'histoire de l'astronomie.

Néanmoins, comme Mrk 501 est très éloigné de la Terre, même les installations les plus avancées telles que le Event Horizon Telescope (EHT) ont du mal à transformer complètement les deux trous noirs en points lumineux indépendants dans le ciel. En d’autres termes, les astronomes ne peuvent pas imager directement l’ensemble du processus de rapprochement et de fusion de deux trous noirs comme ils l’ont fait lors de la première photo d’un trou noir. Ils ne peuvent s’appuyer que sur l’évolution de la structure du jet et sur le comportement global de la luminosité pour suivre indirectement leur contraction orbitale.

Cependant, les chercheurs prédisent qu’à mesure que les trous noirs jumeaux continuent de se rapprocher l’un de l’autre, ils libéreront des ondes gravitationnelles à extrêmement basse fréquence, qui devraient être détectées par le Pulsar Timing Array (PTA). Ces dernières années, les résultats publiés par plusieurs projets de coopération tels que le réseau européen Pulsar Timing Array ont montré qu'un fond d'ondes gravitationnelles formé par la superposition de nombreux trous noirs supermassifs binaires a été initialement détecté, et le système binaire de trous noirs supermassifs est considéré comme la source dominante de ce fond. Mrk 501 a été confirmé cette fois comme candidat pour un trou noir binaire proche, ce qui en fait l'une des meilleures cibles pour unifier les signaux PTA avec des systèmes célestes spécifiques à l'avenir.

Héctor Olivares, co-auteur de l'article, a souligné que si un signal clair d'onde gravitationnelle pouvait être capturé dans ce système à l'avenir, et que sa fréquence augmentait régulièrement avec le temps, il y aurait l'occasion d'être « témoin » de l'ensemble du processus de fusion d'un trou noir supermassif dans l'échelle de temps d'observation humaine. Cela deviendra non seulement une étape importante dans l'astronomie des ondes gravitationnelles, mais fournira également un laboratoire sans précédent pour tester l'applicabilité de la relativité générale dans des champs gravitationnels extrêmement puissants et comprendre le mécanisme de croissance des trous noirs au centre des galaxies.

Des recherches pertinentes ont été publiées dans les « Monthly Notices of the Royal Astronomical Society » le 27 mars 2026 sous la forme d'un article intitulé « Détection d'un deuxième jet dans le noyau nucléaire de Mrk 501 ». En tant que travail ayant permis de réaliser des percées dans les domaines de l'interférométrie radio, de l'analyse de séquences à long terme et de l'interprétation des lentilles gravitationnelles, cette découverte est considérée comme fournissant des preuves clés pour comprendre comment les trous noirs supermassifs atteignent une « croissance rapide » grâce à des fusions, et ouvre également la voie aux futures observations d'ondes gravitationnelles pour localiser la source spécifique.