Il y a environ 100 millions de trous noirs de masse stellaire dans la Voie lactée.
Washington :
Le trou noir connu le plus proche de la Terre a été découvert par des astronomes utilisant l’Observatoire international Gemini, géré par le NOIRLab de la NSF.
Il a été confirmé qu’un trou noir dormant de masse stellaire existe dans la Voie lactée pour la première fois. Avec seulement 1600 années-lumière entre lui et la Terre, c’est un sujet de recherche fascinant pour améliorer nos connaissances sur le développement des systèmes binaires.
Les choses les plus extrêmes dans l’univers sont les trous noirs. Toutes les grandes galaxies possèdent probablement en leur centre des versions supermassives de ces objets d’une densité insondable.
On estime à 100 millions le nombre de trous noirs de masse stellaire dans la seule Voie lactée, qui sont nettement plus répandus et pèsent cinq à cent fois plus que le Soleil. Contrairement aux trous noirs dormants, qui ne s’illuminent pas fortement aux rayons X lorsqu’ils consomment de la matière provenant d’une étoile voisine, seul un petit nombre de trous noirs a été confirmé jusqu’à présent, et presque tous sont « actifs ».
Le trou noir le plus proche de la Terre a été nommé Gaia BH1 par les astronomes utilisant le télescope Gemini Nord sur l’île d’Hawaï, l’un des télescopes jumeaux de l’Observatoire international Gemini, qui est géré par le NOIRLab de la NSF.
Il est trois fois plus proche de la Terre que le précédent détenteur du record, une paire de rayons X dans la constellation du Monoceros. Ce trou noir dormant est environ 10 fois plus grand que le Soleil et est situé à environ 1600 années-lumière dans la constellation d’Ophiuchus. Des études approfondies du mouvement du partenaire du trou noir, une étoile semblable au Soleil qui tourne autour du trou noir à peu près à la même distance que la Terre autour du Soleil, ont permis de faire cette nouvelle découverte.
« Prenez le système solaire, mettez un trou noir là où se trouve le Soleil, et le Soleil là où se trouve la Terre, et vous obtenez ce système », explique Kareem El-Badry, astrophysicien au Centre d’astrophysique de Harvard & ; Smithsonian et l’Institut Max Planck d’astronomie, et auteur principal de l’article décrivant cette découverte.
« Bien qu’il y ait eu de nombreuses détections prétendues de systèmes comme celui-ci, presque toutes ces découvertes ont été réfutées par la suite. Il s’agit de la première détection sans ambiguïté d’une étoile semblable au Soleil dans une large orbite autour d’un trou noir de masse stellaire dans notre Galaxie. »
Les quelques trous noirs de masse stellaire qui ont été découverts ont été révélés par leurs interactions énergisantes avec une étoile compagnon, malgré le fait qu’il y en a probablement des millions qui errent dans la Voie lactée. La matière surchauffée provenant d’une étoile voisine se dirige en spirale vers le trou noir, où elle produit d’intenses rayons X et des jets de matière. Lorsqu’un trou noir est dormant (c’est-à-dire qu’il ne se nourrit pas activement), il se fond tout simplement dans son environnement.
« Je recherche les trous noirs dormants depuis quatre ans en utilisant un large éventail d’ensembles de données et de méthodes », a déclaré El-Badry. « Mes tentatives précédentes — ainsi que celles d’autres personnes — ont donné lieu à une ménagerie de systèmes binaires qui se font passer pour des trous noirs, mais c’est la première fois que la recherche porte ses fruits. »
Les chercheurs ont d’abord examiné les données du vaisseau spatial Gaia de l’Agence spatiale européenne afin de déterminer la présence potentielle d’un trou noir dans le système. Gaia a capturé les minuscules déviations de la vitesse de l’étoile provoquées par un énorme objet invisible.
El-Badry et son équipe ont utilisé l’instrument Gemini Multi-Object Spectrograph sur Gemini Nord pour étudier le système plus en détail. Cet appareil a déterminé avec précision la période orbitale de l’étoile compagnon en mesurant la vitesse de l’étoile compagnon lorsqu’elle tourne autour du trou noir. L’équipe a pu identifier le corps central comme un trou noir environ 10 fois plus massif que notre Soleil grâce aux observations de suivi de Gemini, qui ont été essentielles pour établir des contraintes sur la vitesse orbitale et, par conséquent, les masses des deux composants du système binaire.
« Nos observations de suivi Gemini ont confirmé au-delà de tout doute raisonnable que la binaire contient une étoile normale et au moins un trou noir dormant », a élaboré El-Badry. « Nous n’avons pu trouver aucun scénario astrophysique plausible pouvant expliquer l’orbite observée du système qui n’implique pas au moins un trou noir. »
Comme elle ne disposait que d’une petite fenêtre pour effectuer ses observations de suivi, l’équipe s’est appuyée non seulement sur les excellentes capacités d’observation de Gemini Nord, mais aussi sur la capacité de Gemini à fournir des données dans de brefs délais.
« Lorsque nous avons eu les premières indications que le système contenait un trou noir, nous n’avions qu’une semaine avant que les deux objets ne soient au plus près de la séparation dans leurs orbites. Les mesures à ce moment-là sont essentielles pour faire des estimations précises de la masse d’un système binaire », a déclaré El-Badry. « La capacité de Gemini à fournir des observations dans un délai très court a été déterminante pour la réussite du projet. Si nous avions manqué cette étroite fenêtre, nous aurions dû attendre une année de plus. »
La configuration unique du système Gaia BH1 est difficile à expliquer en utilisant les concepts actuels des astronomes sur l’évolution des systèmes binaires. L’étoile progénitrice, qui a ensuite évolué vers le trou noir nouvellement découvert, aurait eu une masse au moins 20 fois supérieure à celle du Soleil.
Elle aurait eu une courte durée de vie de quelques millions d’années. Si les deux étoiles s’étaient formées simultanément, cette énorme étoile se serait rapidement transformée en supergéante, gonflant et avalant la seconde étoile avant qu’elle n’ait eu la chance de se développer en une étoile propre de la séquence principale comme notre Soleil, qui brûle de l’hydrogène.
On ne voit pas du tout comment l’étoile de masse solaire aurait pu survivre à cet épisode, pour finir comme une étoile apparemment normale, comme l’indiquent les observations de la binaire à trou noir. Les modèles théoriques qui permettent la survie prédisent tous que l’étoile de masse solaire aurait dû se retrouver sur une orbite beaucoup plus serrée que ce qui est réellement observé.
Cela pourrait indiquer qu’il existe des lacunes importantes dans notre compréhension de la façon dont les trous noirs se forment et évoluent dans les systèmes binaires, et suggère également l’existence d’une population encore inexplorée de trous noirs dormants dans les binaires.