La détection de trous noirs supermassifs en orbite l'un autour de l'autre pourrait bientôt passer du domaine de la théorie à celui de l'observation, grâce à un phénomène optique remarquable. Normalement invisibles, ces géants cosmiques pourraient se révéler par d'étonnants sursauts lumineux provenant d'étoiles situées derrière eux.
Ce mécanisme repose sur la lentille gravitationnelle, un effet prédit par Einstein où la gravité d'un objet massif courbe l'espace-temps et dévie la lumière. Cet effet sert habituellement à observer des galaxies lointaines, mais avec un système binaire, il gagne en intensité.
Impression d'artiste de la lumière d'une étoile (orange) en arrière plan amplifiée par un couple de trous noirs supermassifs.
Crédit: Max Planck Institute
Pour un duo de trous noirs, la rotation autour d'un centre commun génère une zone en forme de diamant, nommée courbe caustique, où l'effet de lentille est amplifié. Cette région balaie l'arrière-plan spatial, et lorsqu'une étoile s'y aligne par hasard, sa lumière est brièvement mais fortement magnifiée.
Ces alignements produisent dès lors des éclairs lumineux périodiques, visibles sur plusieurs années, qui épousent la période orbitale des trous noirs. D'après les scientifiques, cette signature est unique et pourrait permettre d'identifier de tels duos, même au cœur de galaxies extrêmement éloignées où les étoiles individuelles restent trop faible pour être perçues.
Par ailleurs, l'orbite de ces trous noirs n'est pas figée ; elle se réduit progressivement car ils dissipent de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. Cette évolution modifie la courbe caustique, ce qui altère la fréquence et l'intensité des sursauts lumineux, encodant ainsi des données sur la masse des objets.
Des observatoires de nouvelle génération, comme le Vera C. Rubin Observatory au Chili et le Nancy Grace Roman Space Telescope dont le lancement est programmé pour 2027, posséderont la sensibilité requise pour capturer ces événements. À plus long terme, la mission LISA, un détecteur spatial d'ondes gravitationnelles, pourrait collaborer avec ces télescopes pour mener des études dites "multi-messagers".
Cette approche ouvre la possibilité d'observer des systèmes binaires bien avant leur fusion ultime, en combinant les signaux lumineux et gravitationnels. Les travaux ayant conduit à cette avancée sont détaillés dans la revue
Physical Review Letters.