Découverte du trou noir stellaire le plus massif connu de la Voie lactée !

En 1964, un compteur Geiger s'est retrouvé à bord d'une fuséefusée-sonde lancée depuis White Sands Missile Range au Nouveau-Mexique. Hors de l'atmosphèreatmosphère, le détecteur met en évidence plusieurs sources de rayons X sur la voûte céleste dont l'une est particulièrement intense dans la constellation du Cygne. Baptisée Cygnus X1, elle va devenir au début des années 1970 le premier candidat sérieux au titre de trou noir.

On pense toujours aujourd'hui que l'astre compact à environ 7 000 années-lumière du SoleilSoleil et qui orbiteorbite clairement autour d'une étoileétoile en lui arrachant du gazgaz qui vient alimenter un disque d'accrétiondisque d'accrétion autour de lui, disque chauffé au point d'émettre des rayons X, est bien un trou noir et qu'il s'agit même d'un trou noir stellairetrou noir stellaire. C'est-à-dire que selon la théorie déjà développée par Oppenheimer et Snyder il provient de l'effondrementeffondrement gravitationnel d'une étoile ; l'origine des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs par contre, comme celui au cœur de la Voie lactéeVoie lactée, est nettement moins claire.

On a depuis détecté d'autres candidats au titre de trous noirs stellaires dans notre GalaxieGalaxie, notamment là aussi sous forme d'un système binairesystème binaire avec une étoile alimentant un disque d'accrétion autour du trou noir. Ils contiennent généralement environ 10 massesmasses solaires.

Remarquablement, aujourd'hui, une équipe d'astronomesastronomes utilisant les dernières données prises par le satellite d'astrométrie GaiaGaia de l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne (ESA) vient de publier un article dans Astronomy & Astrophysics dans lequel elle annonce la découverte d'un trou noir stellaire et sans l'aide des rayons X. Comme on peut le constater à la lecture de l'article portant le titre Discovery of a dormant 33 solar-mass black hole in pre-release Gaia astrometry, il s'agit d'un trou noir stellaire à la masse record de 33 masses solaires et c'est le deuxième plus proche trou noir du Système solaireSystème solaire connu actuellement avec une distance au Soleil d'environ 2 000 années-lumière dans la constellation de l'Aigle. Il semble pour le moment qu'il s'agisse d'un « trou noir dormantdormant » c'est à dire d'un trou noir qui ne se signale pas par des émissionsémissions de rayons X ou d'autres type de rayonnement électromagnétique car il n'accrète pas de matièrematière.

Comme les données du Very Large TelescopeVery Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral et d'autres observatoires au sol ont permis de vérifier la masse du trou noir, la découverte est aussi annoncée dans un communiqué de l'ESOESO où on peut lire également plusieurs commentaires des chercheurs impliqués.

Les trous noirs sont parmi les objets les plus opaques de l'Univers. Heureusement, ils sont cependant parmi les plus attractifs, et c'est par leur pouvoir d'attraction démesuré que nous pouvons les détecter. Les trous noirs géants sont les ogres les plus monstrueux du zoo cosmique, mais ils ne sont pas des armes de destruction massive. Les jets de matière qu'ils produisent auraient contribué à allumer les premières étoiles et à former les premières galaxies. Hubert Reeves et Jean-Pierre Luminet, spécialistes en cosmologie contemporaine, répondent à toutes vos questions. Pour en savoir plus, visitez le site Du big bang au vivant. © Groupe ECP, YouTube

Des rayons X des trous noirs aux mouvements de Gaia

« Personne ne s'attendait à trouver un trou noir de grande masse tapi à proximité, non détecté jusqu'à présent. C'est le genre de découverte que l'on ne fait qu'une fois dans sa vie de chercheur », explique ainsi Pasquale Panuzzo, membre de la collaboration Gaia et astronome à l'Observatoire de Paris au CNRS.

Sa collègue Elisabetta Caffau, co-auteur de l'article et également membre de la collaboration Gaia à l'Observatoire de Paris-CNRS précise : « Nous avons pris la décision exceptionnelle de publier cet article basé sur des données préliminaires avant la publication prochaine des données Gaia, en raison de la nature unique de cette découverte. » Les données de Gaia trahissant notamment l'existence de l'astre compact qui a été baptisé Gaia BH3, ou BH3 en abrégé (trou noir se dit Black Hole, en anglais), ne devaient en effet être rendues publiques qu'en 2025 au plus tôt (incidemment, le trou noir le plus proche connu à ce jour a aussi été débusqué par Gaia, il s'agit de BH1) il s'agira du quatrième catalogue de données de Gaia, c'est à dire le Data Release 4 (DR4).

Qu'est-ce qui a bien pu motiver une telle décision ? Le communiqué de l'ESO en donne les raisons.

La masse de BH3 est déjà atypique, puisque pas dans la moyenne des masses de trous noirs stellaires observés dans la Voie lactée comme on l'a vu. Elle a été déterminée comme dans le cas de certaines exoplanètes par la méthode des vitesses radiales. En effet, Gaia voit en fait le mouvementmouvement de l'étoile compagne de BH3 qui oscille sous l'effet de sa gravitégravité comme le fait une étoile en raison de la présence d'une exoplanèteexoplanète. Il suffit de détecter les décalages spectraux par effet Dopplereffet Doppler alternativement vers le rouge et vers le bleu quand l'étoile s'éloigne ou se rapproche de Gaia pour en tirer la masse du corps perturbateur, fut-il invisible comme c'est le cas avec BH3.

Un test de la théorie de la naissance des trous noirs stellaires massifs

Sa masse record interroge les processus d'effondrement gravitationnel donnant un trou noir. Selon la théorie en vigueur, il provient d'une étoile d'au moins 10 masses solaires, instable en fin de vie et qui explose en supernovasupernova. On ne modélise pas encore bien combien de la masse initiale de l'étoile est éjecté par instabilité et bien sûr au moment de l'explosion, de sorte que la masse du trou noir résiduelle est incertaine.

La théorie nous dit toutefois aussi qu'une étoile contenant peu d'éléments lourds doit tendre à former des trous noirs massifs. Les astrophysiciensastrophysiciens ont donc utilisé des données provenant notamment du spectrographespectrographe Uves (Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph) du VLT pour avoir une idée de la composition chimique de l'atmosphère de l'étoile hôte de BH3 et donc sa composition.

Il se trouve que l'on a toutes les raisons de penser que des étoiles dans un système binaire naissent à partir d'un même nuagenuage de matière dont toutes les deux héritent de la composition chimique. L'étoile génitrice de BH3 devait donc avoir la même composition initiale que son étoile compagne.

De facto, les membres de la collaboration Gaia ont montré que cette étoile était pauvre en éléments lourds et avait donc une faible métallicitémétallicité, comme disent les astrophysiciens dans leur jargon (pour eux les « métauxmétaux » sont les éléments plus lourds que le lithiumlithium).

Cela conforte l'hypothèse que les masses anormalement élevées là aussi de plusieurs des trous noirs en collision émetteurs des ondes gravitationnellesondes gravitationnelles détectées par LigoLigo et VirgoVirgo et qui avaient surpris les astrophysiciens pourraient être expliqués par le même scénario avec des étoiles anciennes, formées au début de l'histoire du cosmoscosmos observable lorsque la nucléosynthèsenucléosynthèse stellaire n'avait pas encore produit beaucoup des éléments lourds dont on mesure les abondances dans la Voie lactée aujourd'hui.

Un communiqué de l’ESA explique également que la découverte de Gaia BH3 est remarquable à un autre titre. En effet, l'étoile autour de Gaia BH3 se trouve à environ 16 fois la distance Soleil-Terre de son compagnon, ce qui est plutôt rare et il s'agit d'une ancienne étoile géanteétoile géante, âgée d'environ 11 milliards d'années et qui s'est donc formée au cours des deux premiers milliards d'années après le Big BangBig Bang, au moment où la Voie lactée a commencé à s'assembler. Or le mouvement du système binaire dans notre Galaxie est aussi atypique car il se déplace dans une direction inverse au courant des étoiles du disque galactique.

Comme le précise un article du journal CNRS, le système binaire appartient à une structure nommée ED-2, récemment découverte par Gaia, qui semble issue des restes d'un amas globulaireamas globulaire capturé puis déchiré par les forces de maréeforces de marée de la Voie lactée il y a environ 8 milliards d'années. Ce qui fait dire à Pasquale Panuzzo « C'est véritablement une licorne ! Ça ne ressemble à rien de ce que nous connaissons. Nous avons eu de la chance de la trouver ».

Le système binaire avec BH3 apparaît donc comme un laboratoire pour apprendre des choses nouvelles sur les étoiles binaires et les trous noirs stellaires, comme l'explique la conclusion du communiqué de l'ESO. « D'autres observations de ce système pourraient permettre d'en savoir plus sur son histoire et sur le trou noir lui-même. L'instrument Gravity de l'interféromètre du VLT de l'ESO, par exemple, pourrait aider les astronomes à déterminer si ce trou noir attire de la matière de son environnement et à mieux comprendre cet objet passionnant. »