Notre trou noir supermassif serait entouré de milliers de trous noirs stellaires

Lorsque Stephen Hawking et Kip Thorne ont commencé à travailler sur les trous noirs, fin des années 1960-début des années 1970, la communauté des astrophysiciensastrophysiciens n'était pas encore vraiment convaincue de l'existence de ces astres prédits par la théorie de la relativité générale. On commençait tout juste à avoir des preuves de l'existence des étoiles à neutrons grâce à la radioastronomie, d'autres objets compacts nécessitant la théorie d'EinsteinEinstein pour être décrits.

Les débuts de l'astronomie X allaient changer la donne et aujourd'hui, nous savons bien que les trous noirs sont légions dans le cosmoscosmos observable, y compris au cœur des galaxies où ils sont supermassifs comme le pensaient déjà il y a presque 50 ans des chercheurs, tel Lynden-Bell. Il existe donc en particulier un trou noir supermassif contenant environ quatre millions de massesmasses solaires au centre de la Voie lactéeVoie lactée. Nous le savons notamment par l'étude du mouvementmouvement de certaines étoiles autour de la source radio Sagittarius A* (Sgr A*Sgr A*).

Sgr A*, un laboratoire pour la physique et l'astrophysique relativiste

Ce trou noir est un formidable laboratoire pour tester aussi bien nos idées sur la relativité générale et les théories qui la prolongent, que pour explorer l'astrophysiqueastrophysique de ces objets, car il est bien évidemment le trou noir supermassif le plus proche mais aussi l'un des trous noirs le plus facilement observable en raison de sa taille. C'est pourquoi Sgr A* a été observé avec l'EHT (Event Horizon Telescope). Son environnement proche est scruté par différents télescopestélescopes dans l'espoir de mieux comprendre les processus d'accrétionaccrétion autour des trous noirs qui peuvent notamment conduire à l'existence des quasars.

Un phénomène intéresse, en particulier, les astrophysiciens relativistes, c'est la production d'ondes gravitationnellesondes gravitationnelles par un trou noir supermassif autour duquel gravite un trou noir stellairetrou noir stellaire qui finit par y être englouti. Perdant de l'énergieénergie sous la forme de ces ondes, la taille de son orbiteorbite doit diminuer sans cesse jusqu'à ce que se produisent collision et fusionfusion.

On s'attend depuis quelques décennies à ce qu'il existe des milliers de trous noirs stellairestrous noirs stellaires autour d'un astre comme Sgr A*. En effet, d'une part la concentration du gazgaz accrété par le trou noir doit favoriser la création d'étoiles très massives dont le destin est de devenir rapidement des trous noirs stellaires. D'autre part, le champ de gravitationgravitation de Sgr A* doit particulièrement attirer vers lui les trous noirs ainsi formés, de  sorte qu'une large population de ces astres devrait exister dans un rayon de quelques années-lumièreannées-lumière autour de notre trou noir supermassif, mais aussi de tous les autres.

Une image en fausses couleurs des sources X autour de Sgr A*. © NASA/CXC/SAO

300 à 500 binaires à rayons X avec trous noirs autour de Sgr A*

Malheureusement, cette hypothèse n'avait jamais pu être vérifiée jusqu'à présent. De fait, bien que l'on pense également qu'il doit exister des millions de trous noirs dans la Voie lactée, nous en avons détecté seulement quelques dizaines. Ce n'est possible que lorsqu'ils sont en couple dans un système binairesystème binaire dans lequel l'autre astre est une étoile à laquelle ses forces de maréeforces de marée arrachent de la matièrematière. En tombant sur le trou noir, la matière s'échauffe en formant un disque d'accrétiondisque d'accrétion et elle se met alors à émettre des rayons Xrayons X. Seule une fraction des trous noirs stellaires se trouve dans cette situation, et la matière interstellaire est parfois tellement absorbante que même des explosions de supernovaesupernovae peuvent se produire dans la Voie lactée, sans être observées sur Terre.

Le rayonnement X des trous noirs ne semble en fait facilement détectable par des satellites dans l'espace comme ChandraChandra que lorsqu'il se produit des éruptions violentes dans les disques d'accrétion, ce qui est plutôt rare. Malgré tout, une équipe internationale d'astrophysiciens, menée par Chuck Hailey de l'université ColumbiaColumbia, vient de faire savoir via un article publié dans Nature qu'elle était parvenue à détecter 12 trous noirs stellaires dans un rayon de 3 années-lumière autour de Sgr A*, et ce grâce aux données collectées par Chandra.

Les trous noirs détectés sont ceux qui se sont associés à des étoiles célibataires de faible masse, proches de Sgr A* après leur naissance. Ils ne forment qu'une fraction des trous noirs en couple ou célibataires. Leur découverte et les caractéristiques de leurs orbites permettent cependant d'estimer le nombre total de ces trous noirs, ils doivent être d'autant plus nombreux qu'ils sont proches de Sgr A*.

De 300 à 500 systèmes binaires avec un trou noir devraient ainsi exister en orbite autour de notre trou noir supermassif et environ 10.000 autres qui sont célibataires.