Astronomie

À quoi ressemblerait une fusion de trous noirs ?

À quoi ressemblerait une fusion de trous noirs ?

Le navire 1 est à l'extérieur du trou noir. Le navire 2 s'approche d'un trou noir. Pour le navire 1, il semblerait que le navire 2 se déplace plus lentement au point qu'il semblerait que le navire 2 s'arrête de se déplacer à mesure que le navire 2 se rapproche du trou noir.

J'imagine que la fusion de 2 trous noirs nus (un point dense à l'infini sans trou noir environnant) ressemblerait à un flou à cause de leur vitesse, mais et à cause de la dilatation du temps, cette image gif ci-dessous est un bon rendu de la façon dont la fusion semblerait expédier 1 ? Alors à quelle vitesse un trou noir se déplace-t-il lors de la fusion ??


Je suis assez loin d'être un expert, mais il y a beaucoup de parties mobiles à cette question et il n'est pas facile de répondre, en partie parce que nous n'avons pas une bonne définition de ce qu'est précisément un trou noir. La relativité restreinte nous dit qu'il s'agit d'une singularité ponctuelle entourée d'un horizon événementiel d'où la notation peut s'échapper. La physique quantique nous dit que nous ne savons pas ce que c'est, mais le rayonnement colporteur peut échapper à l'horizon des événements et les informations sont conservées à l'extérieur… euh, je pense. Une récente découverte d'ondes de gravité (voir relativité restreinte) indique qu'elles perdent une assez bonne partie de leur masse lorsqu'elles fusionnent.

Pour le navire 1, il semblerait que le navire 2 se déplace plus lentement au point qu'il semblerait que le navire 2 s'arrête de se déplacer à mesure que le navire 2 se rapproche du trou noir.

C'est l'explication courante, mais j'aimerais y ajouter quelques détails. Cela ne fonctionne que si le navire tombe directement dans le trou noir avec une vitesse tangentielle nulle.

Si nous imaginons un navire qui réfléchit à la fois la lumière visible et émet de la lumière infrarouge lorsqu'il tombe dans un trou noir, il accélère très vite lorsqu'il tombe dans le trou noir, jusqu'à ce que la dilatation du temps prenne le relais et qu'il semble ralentir, auquel cas point c'est très proche du trou noir. Sa vitesse est une fraction significative de la vitesse de la lumière - quelqu'un d'autre peut faire le calcul s'il le souhaite, mais si la mémoire d'une autre question est correcte, environ 1/3 de la vitesse de la lumière lorsque le ralentissement prend le dessus - pour l'observateur. Pour le navire, il continue d'accélérer.

Le navire continue cependant à se décaler vers le rouge, car la lumière qui s'échappe du navire est décalée vers le rouge à la fois par le BATEAUl'augmentation de la vitesse combinée avec le décalage gravitationnel vers le rouge, donc en tant que visuel, vous perdriez de vue le vaisseau assez rapidement.

Quelque chose d'autre se produit à cause d'une bizarrerie avec la gravité relativiste. Un objet réfléchit et émet de la lumière dans toutes les directions, mais lorsqu'il se rapproche suffisamment du trou noir, la seule lumière qui peut s'échapper est presque entièrement perpendiculaire. La lumière ne peut s'échapper de la photonsphère d'un trou noir que si elle est proche de la perpendiculaire, et peut-être que ma formulation pourrait être améliorée là-bas. Cette question a une très bonne réponse sur la vitesse orbitale autour d'un trou noir. La lumière tangentielle est considérablement courbée ou complètement piégée. Cela signifie que vous perdrez assez rapidement de vue tout ce qui n'est pas directement perpendiculaire entre le navire, le centre du trou noir et l'endroit d'où vous regardez. Pour continuer à voir le navire, vous auriez besoin de nombreuses caméras réparties autour du trou noir et la vue devrait être reconstruite.

Et même si ce n'était pas pour la photonsphère, le fait que certaines parties du vaisseau seraient plus proches de l'horizon des événements que d'autres parties, et que la lumière voyagerait du vaisseau vers vos yeux dans des directions légèrement différentes, vous verriez probablement une certaine distorsion, similaire aux simulations à haute vitesse que vous avez pu voir dans les émissions de télévision sur la relativité, ou ce site Web donne quelques exemples, ou lorsque Randy Johnson lance une balle de baseball.

Et n'oublions pas que tout objet se briserait probablement ou se spaghettiserait en raison des forces de marée, à moins que vous n'ayez un très gros trou noir où la spagétification ne serait pas un problème et la déformation serait moindre mais la photonsphère serait toujours un problème.

Ce que je veux dire, c'est que l'histoire du navire restant visible est une belle simplification, en réalité elle est simplifiée à l'extrême. Il ignore la vitesse tangentielle et il n'est souvent pas mentionné qu'il s'étendrait à la fois et deviendrait rapidement si décalé vers le rouge qu'il ne pourrait pas être reconnu. La nature particulaire de la lumière suggérerait qu'en peu de temps, le vaisseau serait réduit à un scintillement de photons individuels et que vous auriez besoin d'un nombre énorme de télescopes (en supposant que vous puissiez construire un télescope pour capturer une lumière aussi décalée vers le rouge), et une énorme quantité de temps pour capturer suffisamment de photons, même pour suivre le navire. Concrètement, il disparaît assez rapidement. Vous pourriez le voir ralentir et passer au rouge et s'étirer pendant un certain temps, mais pas très longtemps.

Et si le vaisseau tombe dans le trou noir avec une vitesse tangentielle, eh bien, c'est encore pire pour garder une trace visuelle dessus, et presque tout dans l'espace qui tombe dans quelque chose d'autre, a une vitesse tangentielle. L'idée que le vaisseau semble geler sur place et s'estomper n'est probablement pas du tout exacte, mais si des experts ici veulent me corriger à ce sujet, j'invite la correction.

Je voulais souligner cette complexité avant de donner une réponse de profane à votre question.

La meilleure façon pour moi d'imaginer personnellement à quoi cela ressemblerait lorsque deux trous noirs tombent l'un dans l'autre est de penser aux photons en dehors de l'horizon des événements et à ce qui leur arrive.

C'est probablement une assez bonne estimation de ce à quoi cela ressemble à partir du navire 2. Je pense que des images comme celle-ci sont générées par ordinateur et pas mal. Une chose avec laquelle je ne suis pas d'accord est que ces images sont toujours dessinées avec une sorte d'anneau autour du trou noir.

Le cercle noir que vous voyez est en fait le photonsphère, pas l'horizon des événements et il n'est pas complètement noir car de la lumière avec une vitesse tangentielle peut s'échapper de la photonsphère, mais il est probablement assez sombre, à moins que quelque chose de très énergétique ne se passe à l'intérieur.

De plus, les trous noirs ci-dessus sont dessinés avec une sorte de cercle lumineux autour d'eux. Ce n'est probablement pas exact non plus. L'espace entier est déformé, il n'y a donc pas de cercle lumineux. Nous imaginons voir un cercle autour d'un objet qui bloque une lumière parce que la lumière peut s'enrouler autour d'un objet et nous pensons que les choses ont des bords, mais ce n'est pas exact. Il y aurait une déformation autour de la photonsphère, s'étendant vers l'extérieur, mais pas un cercle de lumière. Je soupçonne qu'il y a de fortes chances que vous ne voyiez pas un trou noir passer devant l'autre, vous le verriez simplement disparaître, comme noir sur noir, puis réapparaître alors qu'il déformait l'espace derrière lui quand il n'était plus devant l'autre .

Je ne m'oppose pas aux libertés prises pour rendre des vidéos comme celle-là plus visibles, mais si vous demandez à quoi cela ressemblerait, j'ai pensé que ces corrections valaient la peine d'être signalées.

A vos questions :

en raison de la dilatation du temps, cette image gif ci-dessous est-elle un bon rendu de la façon dont la fusion semblerait expédier 1 ?

(donner posté ci-dessus aussi).

C'est un rendu correct pour donner aux amateurs une idée de ce à quoi cela ressemblerait. La dilatation du temps est en grande partie sans importance car les trous noirs orbiteraient très très rapidement, à moins qu'il ne s'agisse de très gros trous noirs. C'est une autre difficulté avec votre question. La réponse change quelque peu avec 2 trous noirs supermassifs, comme cela devrait se produire lorsque les trous noirs d'Andromède et de la Voie lactée devraient fusionner, et avec les trous noirs de masse stellaire.

Les trous noirs de masse stellaire orbiteraient très rapidement et la dilatation du temps le ralentirait un peu, mais pas assez là où il semblerait lent. Les choses intéressantes se produisent quand ils sont très proches. Prenez la collision détectée par Ligo, lorsque deux trous noirs d'environ 30 masses solaires ont fusionné. Un trou noir de 30 masses solaires a un rayon d'environ 90 km et si les deux objets sont en orbite assez près l'un de l'autre où vous voudriez garer un vaisseau spatial et les regarder entrer en collision, calculez environ 5 ou 10 fois cette distance, disons 900 km de distance. Objets se déplaçant à des vitesses relativistes autour d'une piste (3,14 x 2 x 900) de 5 652 km, à des vitesses relativistes, vous regardez plusieurs orbites par seconde, plus ou moins, qui accéléreraient probablement à mesure qu'ils se rapprochaient. La dilatation du temps ne se rattrape pas assez vite. Vous pourriez avoir des morceaux ralentis décalés vers le rouge, mais comme le vaisseau spatial, l'idée de regarder les trous noirs se figer les uns sur les autres n'est probablement pas ce à quoi cela ressemblerait réellement.

Quelques autres choses à garder à l'esprit. Au fur et à mesure que les trous noirs se rapprochent, ils perdent de la masse, de sorte que leurs horizons d'événements rétrécissent, ce qui serait difficile à observer jusqu'au tout dernier moment où la majeure partie de l'énergie des ondes gravitationnelles est perdue.

Et la partie noire est en fait la photonsphère, pas l'horizon des événements. Le spectateur pourrait penser que les trous noirs se touchent alors que ce ne sont que leurs photonsphères qui se serrent la main, pour ainsi dire. S'il s'agit d'un petit trou noir et d'un plus gros, le petit pourrait en fait disparaître dans la photonsphère du plus grand avant que la fusion ne se produise et que l'énorme impulsion d'énergie des ondes gravitationnelles ne soit libérée.

Donc, la vidéo n'est probablement pas une représentation très précise de ce à quoi elle ressemble, même en tenant compte du ralentissement, mais ce n'est pas une mauvaise non plus. Je ne pense pas que ce soit autant pour être précis que pour essayer de montrer ce qui se passe. C'est comme quand ils donnent à Jupiter toutes ces couleurs qu'il n'a pas vraiment. Cela aide les gens comme nous à "voir" Jupiter, mais une image réelle serait moins colorée. Il n'y a pas de mal à sacrifier une certaine précision pour faire quelque chose de plus visuel.

J'imagine que la fusion de 2 trous noirs nus (un point dense à l'infini sans trou noir environnant) ressemblerait à un flou à cause de leur vitesse,

OK, voici où je suis au-dessus de ma tête, parce que c'est difficile. J'imagine que vous faites une expérience de pensée, que vous ne proposez pas réellement des "trous noirs nus", c'est-à-dire que si vous pouviez voir les deux singularités spiraler l'une vers l'autre, à quoi ressemblerait-elle.

La première chose est que vous ne pouvez pas voir une singularité. Imaginez que vous vouliez en voir un, alors vous dirigez votre navire dans un trou noir. Bien sûr, c'est une mission suicide, mais vous serez la première personne à voir une "singularité nue" - FAUX. Aucune lumière ne peut voyager de la singularité théorique du point vers l'extérieur, donc comme vous êtes à l'intérieur de l'horizon des événements, peu de changements. Vous voyez des choses qui vous sont tombées dessus, avec différentes variations de vitesse tangentielle. Vous voyez des choses étirées et déformées par la courbure de l'espace mais vous ne pouvez pas voir la singularité car elle n'envoie aucun photon dans votre direction. Vous pourriez peut-être observer un certain rayonnement colporteur mais même cela est incertain, car contrairement à la frontière de l'horizon des événements où une particule peut s'échapper et une peut sortir, à l'intérieur, les deux particules seraient attirées par la singularité et s'annihileraient probablement comme de bonnes particules virtuelles sont censés faire. Vous verriez l'espace, la lumière des étoiles derrière vous et des trucs autour de vous, mais vous ne pouvez jamais voir les singularités (en supposant que ce soit ce qui se passe de toute façon, nous n'avons pas de bonne réponse pour ce qui se passe à l'intérieur d'un trou noir).

Même si vous ne pouviez pas le voir, vous pouviez le modéliser. Deux singularités de points théoriques seraient, dans une orbite décroissante, spirale l'une dans l'autre. Les ondes gravitationnelles libérées à l'intérieur du trou noir seraient énormes, mais, d'une manière ou d'une autre, toute cette énergie à l'intérieur du trou noir resterait probablement piégée à l'intérieur du trou noir. L'énergie des ondes gravitationnelles qui est perdue se produit probablement avant que la singularité théorique ne traverse l'horizon des événements de l'autre trou noir, ou avant que les horizons des événements ne se touchent et se fusionnent, pour ainsi dire.

Mais si vous imaginez qu'il y a deux singularités ponctuelles dans ce scénario, je ne vois aucune raison pour qu'elles ne se superposent pas très rapidement. Pour avoir une meilleure idée de cela, nous aurions besoin d'un modèle accepté pour la gravité quantique, que nous n'avons pas. Il existe également des modèles de trous noirs où la matière s'accumule sur le bord extérieur de l'horizon des événements, où le temps s'arrête et il n'y a pas de singularité centrale.

Donc la vraie réponse à ta question est que personne ne sait ce qui se passerait, mais si nous imaginons deux singularités ponctuelles lorsque deux trous noirs fusionnent, les lois de la relativité restreinte suggèrent qu'ils se heurteraient très très vite, peut-être une infime fraction de seconde. De l'énergie gravitationnelle serait émise alors qu'ils s'emboîtaient l'un dans l'autre, tel que défini par la relativité restreinte, mais je n'imagine pas que l'énergie s'échapperait, elle resterait à l'intérieur de l'horizon des événements, mais là-dessus, je spécule. Il y a de nombreuses raisons pour lesquelles cette question ne peut probablement pas recevoir de réponse nette.

Il y a aussi une possibilité de trou noir kerr où la singularité du point est plus un cerceau ou un anneau en rotation afin de conserver son moment angulaire, mais j'ai toujours eu du mal à voir comment cela s'articule avec la perte d'énergie via les ondes gravitationnelles… mais je ' Je ne vais pas essayer d'expliquer celui-là, parce que c'est au-dessus de mon niveau de salaire.

Je m'excuse si je suis un peu trop poétique, mais je pense que cette question fonctionne presque comme une expérience de pensée, bien qu'il soit probablement impossible de répondre.


Les trous noirs pourraient fusionner avec la lumière d'un billion de soleils, selon les scientifiques

Lorsque les trous noirs entrent en collision, le drame cosmique qui s'ensuit est supposé se dérouler sous le manteau des ténèbres, étant donné que les deux objets sont invisibles. Mais maintenant, les astronomes pensent avoir fait les premières observations optiques d'une telle fusion, marquée par un éclat de lumière un billion de fois plus brillant que le soleil.

L'éruption était liée à une fusion connue de trous noirs détectée l'année dernière par l'observatoire des ondes gravitationnelles, Ligo, qui a capté les ondulations envoyées à travers le tissu spatial. Les dernières observations suggèrent que lorsque ces événements cataclysmiques se produisent dans le disque d'accrétion d'un trou noir encore plus gigantesque, ils sont brillamment illuminés par la poussière et le gaz environnants, les rendant également visibles aux télescopes optiques.

"Ce trou noir supermassif a grondé pendant des années avant cette éruption plus brutale", a déclaré Matthew Graham, professeur de recherche en astronomie au California Institute of Technology et auteur principal de l'ouvrage. "Nous concluons que l'éruption est probablement le résultat d'une fusion de trous noirs."

Les auteurs n'ont pas entièrement exclu d'autres sources, mais Saavik Ford, co-auteur basé à la City University de New York, a déclaré que la fenêtre de doute était étroite. "Nous sommes sûrs à 99,9%", a-t-elle déclaré.

Le professeur Alberto Vecchio, directeur de l'Institut d'astronomie des ondes gravitationnelles de l'Université de Birmingham, a déclaré que les experts surveilleraient désormais de près pour voir comment les dernières observations s'alignent sur une analyse détaillée du même événement qui doit être publiée dans les prochains mois par Scientifiques Ligo. "Si les deux observations indépendantes s'alignent... ce serait vraiment quelque chose d'assez spectaculaire", a-t-il déclaré.

Les observations sont venues après que Ford et son collègue, Barry McKernan, aient fait des prédictions théoriques selon lesquelles les fusions de trous noirs seraient visibles, contrairement aux attentes, si elles se produisaient dans le contexte du disque d'accrétion d'un troisième trou noir supermassif.

Ford et McKernan se sont associés à Graham, un scientifique du projet pour la Zwicky Transient Facility (ZTF), un télescope d'étude du ciel conçu pour repérer les événements lumineux. "Cela s'avère parfait pour quelque chose comme ça", a déclaré Ford.

Les scientifiques ont parcouru les données de Zwicky à la recherche de toutes les fusées éclairantes qui coïncidaient dans le lieu et dans le temps avec des collisions connues qui avaient été détectées par Ligo, qui émet des alertes publiques chaque fois qu'une détection est effectuée. Un événement s'est démarqué : une fusion appelée S190521g que Ligo a détectée en mai de l'année dernière.

"Ce n'est certainement pas l'une des choses que vous auriez prédites il y a trois ans lorsque nous avons commencé l'enquête", a déclaré Graham.

Une analyse plus approfondie a suggéré que la fusion avait eu lieu à proximité d'un trou noir supermassif distant appelé J1249+3449, avec un diamètre équivalent à l'orbite de la Terre autour du soleil. La paire de trous noirs plus petits se trouvait aux confins du disque d'accrétion, un halo d'étoiles, de poussière et de gaz tourbillonnant autour du vaste gouffre central. "Ces objets pullulent comme des abeilles en colère autour de la monstrueuse reine des abeilles au centre", a déclaré Ford.

Alors que la paire de trous noirs, chacun de la taille de l'île de Wight et avec une masse combinée de 150 soleils, spirale vers l'intérieur et fusionne, des ondes gravitationnelles sont envoyées à travers l'espace et le nouvel objet fusionné subit un coup de pied dans la direction opposée , l'envoyant labourer à travers la poussière et le gaz du disque et dans l'espace environnant.

"C'est la réaction du gaz à cette balle rapide qui crée une fusée lumineuse, visible avec les télescopes", a déclaré McKernan.

Si elles sont confirmées, les observations pourraient aider à résoudre un problème central dans l'astronomie des trous noirs : qu'il y a beaucoup plus de trous noirs lourds qu'il ne devrait y en avoir. Les trous noirs se forment à partir d'étoiles anciennes effondrées. De plus gros trous noirs se forment lorsque ceux-ci fusionnent, mais certains trous noirs sont si gros qu'en théorie, cela aurait dû prendre plus de temps que l'âge de l'univers pour qu'ils fassent boule de neige à leur taille observée.

Une explication potentielle est que si les trous noirs se regroupent dans des disques d'accrétion, alors plusieurs séries de fusions deviennent beaucoup plus probables. "Si vous avez un endroit où vous pouvez conserver ces trous noirs en un seul endroit, vous pouvez les coupler efficacement", a déclaré Vecchio. "Le gaz est la colle qui les maintient tous ensemble."

Les observations de Ligo ne permettent pas facilement de résoudre cette question, car l'astronomie des ondes gravitationnelles n'est pas en mesure de déterminer exactement où dans le ciel une fusion a eu lieu, mais si les mêmes événements pouvaient être observés à l'aide de télescopes conventionnels, une réponse pourrait être imminente. Les résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters


À quoi ressemblerait une fusion de trous noirs binaires ?

Fig. 1: Une vue de la Voie Lactée vue à travers une fusion de trous noirs binaires simulée.

Astrobites discute beaucoup des fusions de trous noirs binaires. Mais à quoi ressemblerait l'un d'eux ? Rien, non ? Les trous noirs n'émettent pas de lumière, ils la piègent. Oui, mais s'il y avait une source de lumière, une lampe de poche ou quelque chose, une toile de fond d'étoiles, alors l'espace-temps vacillant et incurvé autour de la fusion du trou noir binaire (BBH) deviendrait visible sous forme de distorsions de la source. N'oubliez pas que les rayons lumineux se courbent autour d'objets massifs et, en ce sens, les trous noirs sont des lentilles. Quel type de lentille est une fusion BBH ?

Ces auteurs présentent les premières images de sources lumineuses lentilles par fusions BBH, en fait des modèles numériques de fusions BBH. À droite, vous pouvez voir à quoi ressemblerait la Voie lactée si une fusion BBH avait lieu juste devant votre fenêtre.

2: Trajectoires en arrière dans le temps des rayons lumineux à travers la fusion BBH simulée. Les ovales représentent les horizons des événements des trous noirs : des surfaces sans issue. Les trajectoires en pointillés se terminent par un trou noir, tandis que les trajectoires solides partent vers l'infini spatial. Étant donné que les rayons sont tracés en arrière dans le temps, le panneau inférieur droit affiche le premier instantané, et « terminer dans » signifie en réalité « produire de » 8217.

Pour prendre des photos comme celle-ci, des photos de leurs modèles numériques, ils utilisent un appareil photo numérique à sténopé. Une véritable caméra à trou d'épingle mappe l'angle d'un rayon lumineux entrant à une position unique sur le plan de l'image. Leur caméra numérique à sténopé fait de même en sens inverse : pour chaque position x,y sur l'image (un pixel), elle calcule l'unique rayon lumineux correspondant. Il retrace le rayon dans le temps à travers un espace-temps BBH précédemment simulé, enregistré sous forme de plusieurs instantanés de données, comme un film. Quel que soit le rayon qui frappe finalement, c'est la couleur du pixel. Il s'agit d'une méthode bien connue en infographie, et elle est connue pour prendre beaucoup de puissance de calcul. La figure 2 montre un faisceau de rayons tracé en arrière à travers plusieurs instantanés de données.

Remarquez à quelle vitesse les trous noirs se déplacent et les rayons lumineux suivent à peine ! Remarquez également à quel point l'espace-temps est chaotique ! De légères différences dans les trajectoires initiales des rayons donnent des points finals très différents. Il est clair qu'un algorithme de lancer de rayons précis est essentiel pour prendre une image fidèle de leurs données. À cette fin, Bohn et al. introduire une modification de l'équation décrivant les rayons lumineux, et améliorer à la fois la précision et la vitesse de leur tracé de rayons. La vitesse est importante car ils calculent des centaines de milliers de trajectoires pour une seule image.

3: La source lumineuse de fond, peinte sur une sphère couvrant le ciel.

La source lumineuse de fond dans les images est une grille artificielle couvrant tout le ciel, chaque quart de la sphère étant peint d'une couleur unique. La figure 3 montre la sphère avec une fenêtre découpée pour révéler l'intérieur. La caméra et la fusion BBH sont placées au centre, et sont orientées de manière à ce que le point blanc soit directement derrière les trous noirs.

4: Images de l'intérieur de la sphère artificielle (a) sans BH, (b) avec une seule BH non tournante au centre, (c) avec une seule BH tournante, axe de rotation hors de l'écran, (d) avec le même rotation BH, axe de rotation vers le haut.

Pour nous orienter vers des espaces-temps de trous noirs simples, la figure 4 montre quelques images de l'intérieur de la sphère, lentilles par des trous noirs simples.

Certaines choses à explorer dans la figure de gauche. Dans les images lentilles (b-d), le point blanc derrière le trou noir est transformé en un anneau. Cet effet, appelé anneau d'Einstein, a été bien étudié. Il existe un certain nombre d'exemples célèbres dans la nature, pris en compte par des amas de galaxies massifs (1, 2, 3). L'anneau se produit parce que les rayons lumineux provenant de la tache blanche derrière le BH, et passant à travers cet anneau, sont tous courbés vers la caméra par le BH. De plus, dans les images lentilles par des trous noirs en rotation, notez le tourbillon en (c) et l'asymétrie en (d). Ces effets sont causés par le glissement du cadre, une autre conséquence bien étudiée et vérifiée de la relativité générale.

5: Une image de trous noirs non tournants et fusionnants, avec l'axe du moment angulaire orbital pointant vers l'extérieur de l'écran. Vous pouvez trouver plusieurs images de chaque BH dans cette image.

Nous sommes maintenant prêts à comprendre une image d'une fusion BBH. Figues. 5 et 6 montrent des vues de la grille d'arrière-plan lentille par deux trous noirs en orbite, presque fusionnés, non rotatifs et de masse égale.

Bohn et al. souligner deux caractéristiques intéressantes des Figs. 5 & ​​6. Tout d'abord, sur le bord des images, vous trouvez toujours une bague Einstein. En fait, sur le bord, l'effet du mouvement orbital est similaire à celui dû à un seul BH en rotation (en d'autres termes, la figure 5 ressemble à 4c et 6 à 4d). Il est logique que l'effet de glissement du cadre soit dû au moment angulaire des masses centrales, que ce moment angulaire soit dû aux mouvements orbitaux de deux corps ou à la rotation intrinsèque d'un corps. Deuxièmement, les images révèlent une structure auto-similaire lorsque vous zoomez sur le bord de l'une des ombres. En effet, les rayons passant très près des BH peuvent prendre une, deux ou arbitrairement plusieurs orbites autour des BH, avant de tomber dans un BH, ou de s'échapper pour atterrir sur une source lumineuse. La structure auto-similaire n'est pas unique aux espaces-temps BBH. En fait, avec une résolution infinie, on pourrait en principe trouver une infinité d'anneaux d'Einstein autour des BH simples de la figure 4.

Figure 6: Une image des mêmes trous noirs que sur la Fig. 5, avec l'axe du moment angulaire orbital pointant vers le haut. Encore une fois, vous pouvez trouver plusieurs images de chaque BH dans cette image. L'encart zoome sur l'image près de l'une des frontières BH. Plus on zoome, plus les images auto-similaires des trous noirs apparaissent comme de fines ombres en crêpe.

La riche structure proche de la fusion peut-elle réellement être vue dans la nature ? Probablement pas. De vraies sources lumineuses de fond, comme celles de la figure 1, masquent l'auto-similitude révélée par la source lumineuse continue utilisée dans ce travail. (Bien que, si vous regardez de plus près, vous puissiez trouver plusieurs motifs d'étoiles répétés sur la figure 1.) De plus, les fusions stellaires-masse BBH passent par leurs orbites finales en seulement quelques millisecondes. Et enfin, peut-être le plus important, les télescopes sont fondamentalement limités dans leur capacité à résoudre les différences à travers de petites séparations angulaires. Cela signifie que seules des fusions très proches pourraient potentiellement être imagées. La proximité dépend de la longueur d'onde d'observation et de la taille du télescope. Néanmoins, les auteurs soulignent que des anomalies de lentille similaires peuvent être visibles sous forme de variations globales de luminosité dans une fusion impliquant de la matière émettrice de lumière, comme une étoile à neutrons.

Il y a une beauté et une richesse mathématiques dans les images calculées et présentées ici par Bohn et al. Et ils se produisent vraiment là-bas. Il est en quelque sorte humiliant et merveilleux de savoir que bien que ces effets puissent exister, ils ne seront probablement jamais vus. Il y a un poème de Wendell Berry qui commence par une citation de sa fille : « J'espère qu'il y a quelque part un animal que personne n'a jamais vu. Et j'espère que personne ne le verra jamais.”

Divulgation complète : cet auteur d'Astrobites collabore avec Bohn et al. et pense qu'ils gonflent.

Addendum (ajout du 11.7.14) : Découvrez ces films de fusions, mis en ligne après la rédaction de ces astrobites.


Des astronomes découvrent une paire inhabituelle de trous noirs dans une galaxie lointaine

Cette image composite du télescope spatial NASA/ESA Hubble et de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA montre la galaxie SDSS J112659.54+294442.8. La flèche pointe vers le trou noir qui a perdu la plupart de ses étoiles en raison des processus de décapage gravitationnel. Crédit image : NASA / ESA / Hubble Team / Chandra Team / Julia M. Comerford et al.

J1126+2944 (SDSS J112659.54+294442.8) est une galaxie située dans la constellation de la Grande Ourse, à environ 1,3 milliard d'années-lumière.

Selon le Dr Comerford et ses collègues, cette galaxie est le résultat d'une fusion entre deux galaxies plus petites, qui ont réuni une paire de trous noirs.

L'un des trous noirs est entouré d'une quantité typique d'étoiles, mais l'autre trou noir est étrangement « nu » et a un nombre d'étoiles associées beaucoup plus faible que prévu.

« Un trou noir est privé d'étoiles et a 500 fois moins d'étoiles qui lui sont associées que l'autre trou noir. La question est de savoir pourquoi il y a un tel écart », a déclaré le Dr Comerford, qui est le premier auteur d'un article publié dans le Journal d'astrophysique (préimpression arXiv.org).

« Une possibilité est que des forces gravitationnelles et marémotrices extrêmes ont simplement enlevé la plupart des étoiles de l’un des trous noirs au cours de la fusion galactique. »

"L'autre possibilité, cependant, est que la fusion révèle en fait un trou noir de masse intermédiaire rare, avec une masse comprise entre 100 et 1 million de fois celle du Soleil."

Les trous noirs de masse intermédiaire devraient exister au centre des galaxies naines et donc avoir un nombre inférieur d'étoiles associées. Ces trous noirs de masse intermédiaire peuvent se développer et devenir un jour des trous noirs supermassifs.

« La théorie prédit que des trous noirs intermédiaires devraient exister, mais ils sont difficiles à cerner car nous ne savons pas exactement où chercher. Cette galaxie inhabituelle peut fournir un rare aperçu de l'un de ces trous noirs de masse intermédiaire », a expliqué le co-auteur, le Dr Scott Barrows, également de l'Université du Colorado à Boulder.

Si J1126 + 2944 contient effectivement un trou noir intermédiaire, cela fournirait aux astronomes l'occasion de tester la théorie selon laquelle les trous noirs supermassifs évoluent à partir de ces trous noirs «graines» de masse inférieure.

Julia M. Comerford et al. 2015. Alimentation par fusion des noyaux galactiques actifs : six noyaux galactiques actifs doubles et décalés découverts grâce aux observations du télescope spatial Chandra et Hubble. ApJ 806, 219 doi : 10.1088/0004-637X/806/2/219


Un signal lumineux inhabituel fait allusion à une fusion de trous noirs à distance

Les scientifiques ont découvert ce qui semble être deux trous noirs supermassifs dans les dernières étapes d'une fusion, un événement rare jamais vu auparavant.

Les régions centrales de nombreuses galaxies scintillantes, y compris notre propre Voie lactée, abritent des noyaux d'obscurité impénétrable - des trous noirs avec des masses équivalentes à des millions, voire des milliards, de soleils. De plus, ces trous noirs supermassifs et leurs galaxies hôtes semblent se développer ensemble, ou "co-évoluer". La théorie prédit qu'à mesure que les galaxies entrent en collision et fusionnent, devenant de plus en plus massives, leurs cœurs sombres aussi.

Les trous noirs en eux-mêmes sont impossibles à voir, mais leur gravité peut attirer le gaz environnant pour former une bande tourbillonnante de matière incandescente appelée disque d'accrétion. Lorsque ce processus se produit dans un trou noir supermassif, le résultat est un "quasar" - un objet extrêmement lumineux qui éclipse toutes les étoiles de sa galaxie hôte, visible de tout l'univers.

"Les quasars sont des sondes précieuses de l'évolution des galaxies et de leurs trous noirs centraux", a déclaré S. George Djorgovski, professeur d'astronomie au California Institute of Technology de Pasadena. "Si nous pouvons étudier systématiquement une grande population de quasars, nous pouvons découvrir des phénomènes rares et inhabituels qui peuvent nous aider à mieux comprendre l'image globale de leur évolution."

Dans le numéro du 7 janvier de la revue Nature, Djorgovski et ses collaborateurs, dont Daniel Stern du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie, rapportent un signal lumineux répétitif inhabituel provenant d'un quasar distant qui, selon eux, est très probablement le résultat de deux des trous noirs supermassifs dans les étapes finales d'une fusion - quelque chose qui est prédit par la théorie mais qui n'a jamais été observé auparavant. Les résultats pourraient conduire à une meilleure compréhension des fusions de trous noirs et de l'évolution des galaxies, et également aider à faire la lumière sur une énigme de longue date en astrophysique appelée "problème final du parsec". Cela fait référence à l'échec des modèles théoriques à prédire à quoi ressembleront les étapes finales d'une fusion de trous noirs, ou même combien de temps le processus pourrait prendre.

"Jusqu'à présent, les seuls exemples connus de trous noirs supermassifs en route vers une fusion ont été séparés par des dizaines ou des centaines de milliers d'années-lumière", a déclaré Stern. "A des distances aussi vastes, il faudrait des millions, voire des milliards d'années pour qu'une collision et une fusion se produisent. En revanche, ces trous noirs sont distants d'au plus quelques centièmes d'année-lumière et pourraient fusionner dans environ un millions d'années ou moins."


Un signal lumineux inhabituel donne des indices sur la fusion insaisissable du trou noir

Les régions centrales de nombreuses galaxies scintillantes, y compris notre propre Voie lactée, abritent des noyaux d'obscurité impénétrable et de trous noirs avec des masses équivalentes à des millions, voire des milliards, de soleils. De plus, ces trous noirs supermassifs et leurs galaxies hôtes semblent se développer ensemble, ou "co-évoluer". La théorie prédit que lorsque les galaxies entrent en collision et fusionnent, devenant de plus en plus massives, leurs cœurs noirs aussi.

Les trous noirs en eux-mêmes sont impossibles à voir, mais leur gravité peut attirer le gaz environnant pour former une bande de matière tourbillonnante appelée disque d'accrétion. Les particules en rotation sont accélérées à des vitesses énormes et libèrent de grandes quantités d'énergie sous forme de chaleur et de puissants rayons X et gamma. When this process happens to a supermassive black hole, the result is a quasar&mdashan extremely luminous object that outshines all of the stars in its host galaxy and that is visible from across the universe. "Quasars are valuable probes of the evolution of galaxies and their central black holes," says George Djorgovski, professor of astronomy and director of the Center for Data-Driven Discovery at Caltech.

In the January 7 issue of the journal Nature, Djorgovski and his collaborators report on an unusual repeating light signal from a distant quasar that they say is most likely the result of two supermassive black holes in the final phases of a merger&mdashsomething that is predicted from theory but which has never been observed before. The discovery could help shed light on a long-standing conundrum in astrophysics called the "final parsec problem," which refers to the failure of theoretical models to predict what the final stages of a black hole merger look like or even how long the process might take. "The end stages of the merger of these supermassive black hole systems are very poorly understood," says the study's first author, Matthew Graham, a senior computational scientist at Caltech. "The discovery of a system that seems to be at this late stage of its evolution means we now have an observational handle on what is going on."

Djorgovski and his team discovered the unusual light signal emanating from quasar PG 1302-102 after analyzing results from the Catalina Real-Time Transient Survey (CRTS), which uses three ground telescopes in the United States and Australia to continuously monitor some 500 million celestial light sources strewn across about 80 percent of the night sky. "There has never been a data set on quasar variability that approaches this scope before," says Djorgovski, who directs the CRTS. "In the past, scientists who study the variability of quasars might only be able to follow some tens, or at most hundreds, of objects with a limited number of measurements. In this case, we looked at a quarter million quasars and were able to gather a few hundred data points for each one."

"Until now, the only known examples of supermassive black holes on their way to a merger have been separated by tens or hundreds of thousands of light years," says study coauthor Daniel Stern, a scientist at NASA's Jet Propulsion Laboratory. "At such vast distances, it would take many millions, or even billions, of years for a collision and merger to occur. In contrast, the black holes in PG 1302-102 are, at most, a few hundredths of a light year apart and could merge in about a million years or less."

Djorgovski and his team did not set out to find a black hole merger. Rather, they initially embarked on a systematic study of quasar brightness variability in the hopes of finding new clues about their physics. But after screening the data using a pattern-seeking algorithm that Graham developed, the team found 20 quasars that seemed to be emitting periodic optical signals. This was surprising, because the light curves of most quasars are chaotic&mdasha reflection of the random nature by which material from the accretion disk spirals into a black hole. "You just don't expect to see a periodic signal from a quasar," Graham says. "When you do, it stands out."

Of the 20 periodic quasars that CRTS identified, PG 1302-102 was the best example. It had a strong, clean signal that appeared to repeat every five years or so. "It has a really nice smooth up-and-down signal, similar to a sine wave, and that just hasn't been seen before in a quasar," Graham says.

The team was cautious about jumping to conclusions. "We approached it with skepticism but excitement as well," says study coauthor Eilat Glikman, an assistant professor of physics at Middlebury College in Vermont. After all, it was possible that the periodicity the scientists were seeing was just a temporary ordered blip in an otherwise chaotic signal. To help rule out this possibility, the scientists pulled in data about the quasar from previous surveys to include in their analysis. After factoring in the historical observations (the scientists had nearly 20 years' worth of data about quasar PG 1302-102), the repeating signal was, encouragingly, still there.

The team's confidence increased further after Glikman analyzed the quasar's light spectrum. The black holes that scientists believe are powering quasars do not emit light, but the gases swirling around them in the accretion disks are traveling so quickly that they become heated into glowing plasma. "When you look at the emission lines in a spectrum from an object, what you're really seeing is information about speed&mdashwhether something is moving toward you or away from you and how fast. It's the Doppler effect," Glikman says. "With quasars, you typically have one emission line, and that line is a symmetric curve. But with this quasar, it was necessary to add a second emission line with a slightly different speed than the first one in order to fit the data. That suggests something else, such as a second black hole, is perturbing this system."

Avi Loeb, who chairs the astronomy department at Harvard University, agreed with the team's assessment that a "tight" supermassive black hole binary is the most likely explanation for the periodic signal they are seeing. "The evidence suggests that the emission originates from a very compact region around the black hole and that the speed of the emitting material in that region is at least a tenth of the speed of light," says Loeb, who did not participate in the research. "A secondary black hole would be the simplest way to induce a periodic variation in the emission from that region, because a less dense object, such as a star cluster, would be disrupted by the strong gravity of the primary black hole."

In addition to providing an unprecedented glimpse into the final stages of a black hole merger, the discovery is also a testament to the power of "big data" science, where the challenge lies not only in collecting high-quality information but also devising ways to mine it for useful information. "We're basically moving from having a few pictures of the whole sky or repeated observations of tiny patches of the sky to having a movie of the entire sky all the time," says Sterl Phinney, a professor of theoretical physics at Caltech, who was also not involved in the study. "Many of the objects in the movie will not be doing anything very exciting, but there will also be a lot of interesting ones that we missed before."

It is still unclear what physical mechanism is responsible for the quasar's repeating light signal. One possibility, Graham says, is that the quasar is funneling material from its accretion disk into luminous twin plasma jets that are rotating like beams from a lighthouse. "If the glowing jets are sweeping around in a regular fashion, then we would only see them when they're pointed directly at us. The end result is a regularly repeating signal," Graham says.

Another possibility is that the accretion disk that encircles both black holes is distorted. "If one region is thicker than the rest, then as the warped section travels around the accretion disk, it could be blocking light from the quasar at regular intervals. This would explain the periodicity of the signal that we're seeing," Graham says. Yet another possibility is that something is happening to the accretion disk that is causing it to dump material onto the black holes in a regular fashion, resulting in periodic bursts of energy.

"Even though there are a number of viable physical mechanisms behind the periodicity we're seeing&mdasheither the precessing jet, warped accretion disk or periodic dumping&mdashthese are all still fundamentally caused by a close binary system," Graham says.

Along with Djorgovski, Graham, Stern, and Glikman, additional authors on the paper, "A possible close supermassive black hole binary in a quasar with optical periodicity," include Andrew Drake, a computational scientist and co-principal investigator of the CRTS sky survey at Caltech Ashish Mahabal, a staff scientist in computational astronomy at Caltech Ciro Donalek, a computational staff scientist at Caltech Steve Larson, a senior staff scientist at the University of Arizona and Eric Christensen, an associate staff scientist at the University of Arizona. Funding for the study was provided by the National Science Foundation.


'Trainwreck' Crash of 3 Monster Black Holes Would Warp Their Host Galaxies

Take three of the most massive objects in the universe, smoosh them and their surrounding galaxies together, and the fireworks are sure to be astounding — and maybe, someday, scientists will see the collision.

That day hasn't come quite yet. But now, astronomers have come close, spotting what may be the run-up to such a massive merger: Three galaxies, each likely hiding a supermassive black hole at their heart, are all on a collision course that could help scientists understand why the universe looks the way it does.

"Because these systems are so rare, we don't actually know very much about them as a population, which is why it's important to find more of them," Ryan Pfeifle, lead author of new research describing the finding and a doctoral student in astronomy at George Mason University, told Space.com. "If we can find more we can study them as a population and say, 'OK, in general this is what these systems tend to behave like.'"

Merging black holes may sound like old news, but this event is nothing like the collisions that scientists have "heard" through gravitational waves in only the past few years. These signals are produced by collisions of black holes that may each be at most a couple of dozen times the mass of our sun, like two droplets effortlessly merging on a rain jacket.

Each of the supermassive black holes involved in the new research contains the mass of hundreds of millions of suns and is surrounded by entire galaxies of stars and planets and moons. Their collision would be like two raging rivers breaking through a dam and reshaping the landscape with floods. Such an event would create gravitational waves, but of such incredible length that modern detectors simply can't sense them.

But it's these sorts of interactions that astronomers believe are crucial for making the universe into what it looks like today, studded with mysterious supermassive black holes. "No one really knows how they can get so massive pretty early in the history of the universe," Shobita Satyapal, Pfeifle's advisor and co-author and an astrophysicist at George Mason University, told Space.com. "One of the most compelling mechanisms where they can grow rapidly is through these galaxy mergers."

So, the researchers wanted to try to spot such a merger before it happened. Volunteer data analysts had flagged a collection of targets based on measurements of infrared light as potential locations where two mature galaxies were colliding.

"We decided to look for feeding black holes using techniques that had never been used before, techniques that were sensitive to obscuration," Satyapal said. "It's sort of a new approach to look for these feeding black holes using tools that haven't traditionally been used in these late-stage interactions."

The team behind the new research gathered additional observations of these places using NASA's Chandra X-ray Observatory. The scientists hoped that the additional data would reveal a supermassive black hole feasting on matter and spitting out X-rays at the heart of each galaxy in these merging pairs. Keying into X-rays is important, since these objects are swathed in clouds of dust and gas that block other types of light.

But one pair, it turned out, was no such thing — hence the new research. The targeted system is formally known as SDSS J084905.51+111447.2, but let's definitely not call it that. The shortened version of its name is SDSS J0849+1114 let's not call it that, either. Can we just nickname it the Triple? Thanks so much.

Anyway, Pfeifle joined the project to analyze the Chandra observations of the Triple and other potential mergers. The first time he looked through the Triple data, it looked just as promising as the other potential duos. It was only when he revisited the data that he realized something was different.

"When I had just looked at the X-ray image, I hadn't actually realized that they were three X-ray sources just because I was a naive young graduate student," Pfeifle said. But then he added optical data about the area as well. "When I lined it up, suddenly things clicked and I said, 'Oh, wait a second, that's something fishy going on there.'" The result was a two-year obsession to determine whether there really were three merging supermassive black hole galaxies.

(The Triple has caught other researchers' eyes as well. A separate team of scientists have also concluded that the Triple is likely three colliding supermassive black hole galaxies, based on some overlapping and some unique data. Those researchers posted their analysis to the pre-print server arXiv.org in July, and declined an interview with Space.com at the time because it was under peer review for publication. "They arrived at a similar conclusion," Satyapal said, who added that their team began writing up their results in February. "It's nice to see that there's corroboration.")

The Pfeifle and Satyapal's research posits that the Triple is three galaxies perhaps colliding — although they could simply graze each other, not close enough to sink into a final spiral. If it is a true merger, the scientists can't be sure quite how far along the massive collision might be, although from start to finish such a merger likely takes about a million years.

Right now, the galaxies are between 11,000 and 23,800 light-years apart from each other. One of the trio definitely hides a feeding supermassive black hole at its center the other two seem to as well, but do not show the same telltale signal as the first, the researchers said.

Counterintuitively, systems like the Triple may be more informative than the pairs that the team were actually hunting. Two-part mergers can crawl along, taking longer than the universe's lifespan to join, but the presence of a third galaxy seems likely to nudge the collision along, judging by simulations scientists have run of such events.

Those simulations also suggest what could become of the Triple if its galaxies do someday collide. "There would still be a galaxy, sort of this trainwreck initially," Satyapal said. The dynamics of a collision can warp individual galaxies that may have begun, say, as delicately structured swirls of stars like our own Milky Way, into something beyond recognition.

"We think that these mergers, they don't just grow the black hole, but they actually transform a disk galaxy into a giant elliptical galaxies," Satyapal said. "You just have a big ball of stars with an enormous black hole."