La preuve formelle de l'existence de trous noirs géants n'a pas encore été faite. Mais quelques candidats ont été présentés par les astronomesastronomes. Il a ainsi été suggéré que plusieurs galaxies naines pourraient en abriter. Ou qu'il s'en cacherait au cœur de la Voie lactée. Et des chercheurs ont peut-être justement mis au jour un nouveau candidat dans notre Galaxie.

Rappelons qu'il existe trois grandes catégories de trous noirs. Les astronomes appellent trous noirs de masse stellaire ceux dont la masse ne dépasse pas 100 fois la masse du Soleil. Pour entrer dans la catégorie des trous noirs supermassifs, un trou noir doit, en revanche, présenter une masse colossale de plus de 100.000 fois celle du Soleil. Entre les deux, autour de 1.000 à 100.000 masses solaires, se situeraient des trous noirs géants, que les astronomes qualifient aussi tout simplement d'intermédiaires.

Et dans leur quête de ces objets insaisissables, l'attention de chercheurs de l'Observatoire astronomique national du Japon a été attirée par des mouvements inhabituels de nuages de gaz à proximité du centre de la Voie lactée. Les astronomes peinent encore à expliquer l'origine de tels nuagesnuages de gazgaz se déplaçant à grande vitessevitesse. Parmi les hypothèses qu'ils avancent : celle que ces nuages orbitent autour d'objets quasi ponctuels de 10.000 fois la masse de notre Soleil.

Pour étudier leur nuage de gaz, les chercheurs de l’Observatoire astronomique national du Japon ont exploité les capacités du Grand réseau d’antennes millimétrique/submillimétrique de l’Atacama (Alma) au Chili. © Alma (ESO, NAOJ, NRAO)

Un résultat qui demande confirmation

Les chercheurs imaginent donc que l'objet responsable de ces étranges mouvements de gaz au cœur de la Voie lactée pourrait n'être autre qu'un trou noir géant dormantdormant. Un trou noir qui ne dévore pas de matièrematière. Un trou noir qui n'est trahi par aucun rayonnement détectable. Il s'agirait ni plus ni moins que du cinquième candidat trou noir géant dans le centre de notre Galaxie.

C'est plus précisément en étudiant HCN-0.085-0.094, un nuage de gaz se déplaçant à grande vitesse dans le centre de notre Galaxie, que les astronomes ont été alertés. Ce nuage se décompose en fait en trois amas de gaz. Et l'un d'entre eux semble tourbillonner - sans toutefois vouloir être accrété - autour d'un objet quasi ponctuel de 10.000 masses solaires.

Pourtant, lorsque les astronomes pointent leurs instruments dans cette direction : rien. S'agit-il d'un trou noir géant ? Les chercheurs ne sont pas en mesure de l'affirmer avec certitude. Mais si c'était le cas, cela leur permettrait sans doute de mieux comprendre non seulement comment de tels trous noirs intermédiaires se forment - et même comment se forment les trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs - ainsi que comment et en quelles proportions ils se répartissent dans la Voie lactée.

Un second trou noir géant errerait au cœur de la Voie lactée

Le radiotélescoperadiotélescope européen Alma a fourni des observations consolidant l'hypothèse de l'existence d'un deuxième trou noir intermédiaire, de 32.000 masses solaires environ cette fois-ci, non loin du cœur de notre Galaxie. Celui-ci aurait sans doute été au cœur d'une galaxie naine avalée par la Voie lactée il y a longtemps.

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco paru le 17/01/2019

Cette vue d'artiste illustre l'hypothèse de l'existence d'un trou noir intermédiaire dans un nuage moléculaire proche du centre de la Voie lactée. Il s'agit d'un clin d'œil au film Interstellar car on voit clairement, en bas à gauche, une représentation de ce trou noir ressemblant à celle utilisée dans le film. Cette représentation est cependant partiellement inexacte. © Tomoharu Oka, Keio University

Dès le siècle dernier, plus précisément vers la fin des années 1960, quelques chercheurs, dont Martin Rees mais surtout son collègue et compatriote, l'astrophysicienastrophysicien britannique Donald Lynden-Bell (décédé récemment, le 6 février 2018), avancent que la majorité des grandes galaxies doivent héberger en leur centre des trous noirs supermassifs. C'est une thèse majoritairement acceptée depuis au moins 20 ans, même si une preuve définitive de la présence d'objets ayant bien un horizon des évènements conforme aux prédictions de la théorie de la relativité généralerelativité générale manque encore. C'est pourquoi on attend impatiemment les résultats cruciaux des observations de l'Event Horizon Telescope concernant cette épineuse question qui a déjà fait couler beaucoup d'encre, notamment avec les déclarations il y a quelques années de Stephen Hawking. On devrait en savoir plus cette année.

Toujours est-il que nous savons que ces trous noirs contiennent au moins l'équivalent d'un million de masses solaires et parfois plusieurs milliards. Toutefois, on ne sait pas encore vraiment comment ces monstres se sont formés. Une partie du scénario, le plus souvent envisagé, les fait se développer à partir de fusionfusion de trous noirs de masses plus faibles dites intermédiaires, allant de quelques milliers à quelques centaines de milliers de masses solaires. Ces objets apparaîtraient pour des raisons encore inconnues au cœur des premières galaxies naines ou des jeunes amas globulairesamas globulaires il y a plus de 10 milliards d'années. Ce sont ensuite les fusions entre les galaxies naines, donnant des grandes galaxies, puis entre ces grandes galaxies et les galaxies naines et les amas globulaires qui conduiraient les trous noirs géants à fusionner.

32.000 masses solaires à au moins 16.300 années-lumière du Soleil

Il n'est pas douteux que des fusions de galaxies se produisent, mais on peine à débusquer des trous noirs de masses intermédiaires. Nous en connaissons tout de même quelques exemples. À cet égard, le projet eLisa pour la détection des ondes gravitationnellesondes gravitationnelles émises lors de la fusion de trous noirs géants devrait nous aider, à l'horizon des années 2030, à faire toute la lumièrelumière sur ces populations de trous noirs et leurs fusions accompagnant la croissance des galaxies.

La théorie, soutenue par des simulations numériquessimulations numériques, nous dit même que l'on devrait trouver plusieurs trous noirs de masses intermédiaires et/ou supermassifs dans et autour de la Voie lactée. De fait, il y a quelques années, on a soupçonné la présence d'un tel trou noir pas très loin du centre de la Voie lactée en raison du comportement d'un nuage moléculaire baptisé CO-0.40-0.22 observé à l'aide de l'Atacama Large Millimeter Array (Alma). Futura l'expliquait dans les deux précédents articles ci-dessous.

L'existence de ce trou noir a été depuis remise en question, comme le reconnaissent dans un article sur arXiv certains des astronomes qui avaient avancé des preuves en sa faveur à l'époque. Mais, ces mêmes chercheurs annoncent aussitôt qu'ils ont débusqué, toujours grâce aux observations du radiotélescope Alma, un deuxième candidat au titre de trou noir de masse intermédiaire non loin du cœur de la Voie lactée.

Là aussi, sa présence se trahirait indirectement par l'effet de son champ de gravitationgravitation sur un nuage moléculaire baptisé HCN-0.009-0.04. La masse de ce candidat trou noir serait d'environ 32.000 masses solaires et il serait à au moins 16.300 années-lumièreannées-lumière du Soleil.

Voie lactée : il y aurait bien un second trou noir géant au cœur de notre galaxie

Article de Laurent Sacco publié le 06/09/2017

Le radiotélescope européen Alma a fourni des observations consolidant l'hypothèse de l'existence d'un trou noir intermédiaire de 100.000 masses solaires non loin du trou noir supermassif de notre Galaxie. Celui-ci aurait été au cœur d'une galaxie naine avalée par la Voie lactée.

D'abord considérés comme des objets théoriques bien trop exotiquesexotiques pour être pris au sérieux au début des années 1960, les trous noirs sont devenus finalement des stars de l'astrophysiqueastrophysique. Ils ont été observés partout dans les galaxies, notamment sous forme de trous noirs supermassifs alimentant les quasars. Mais, si les chercheurs comprennent la naissance des trous noirs stellairestrous noirs stellaires à partir de l'effondrementeffondrement d'étoiles géantesétoiles géantes, il n'en est pas de même avec les trous noirs galactiques contenant quelques millions à quelques milliards de masses solaires.

Un des scénarios pour expliquer la présence de ces derniers suppose l'existence de trous noirs dit « intermédiaires » (leur masse serait comprise entre 100 et un million de masses solaires). La naissance de ces trous noirs intermédiaires est énigmatique, mais il est tout de même possible de faire intervenir, par exemple, l'existence d'étoiles supermassives. Surtout, les chercheurs supposent que ces trous noirs intermédiaires se trouvent dans des amas globulaires et dans des galaxies naines. Les observations ne sont pas très concluantes à cet égard, bien que quelques candidats aient déjà été repérés, notamment dans le domaine des rayons Xrayons X, avec Chandra.

Mais quel rapport entre les trous noirs intermédiaires et les trous noirs supermassifs ? En fait, les galaxies peuvent interagir gravitationnellement, et ce jusqu'à fusionner. La formation des grandes galaxies s'explique d'ailleurs, au moins partiellement, par des fusions de galaxies naines, un phénomène observé dans le cosmoscosmos. Celui-ci s'accompagnerait également de la fusion des trous noirs géants que ces galaxies contiennent, ce qui devrait générer des flashsflashs colossaux d'ondes gravitationnelles, flashs que le détecteur eLisa devrait mettre en évidence.

Un trou noir intermédiaire avalé par la Voie lactée

Par chance pour les théoriciens cherchant à valider ce scénario de la naissance des trous noirs supermassifs, il semble de plus en plus crédible que notre propre Voie lactée contienne justement un trou noir intermédiaire qui, de plus, n'est pas très loin de notre trou noir supermassif central. Comme Futura l'avait expliqué dans un précédent article (voir ci-dessous), l'astronome japonais Tomoharu Oka, de l'université Keio, à Yokohama (Japon), avait déjà avancé l'existence d'un trou noir de probablement 100.000 masses solaires, caché dans un nuage de gaz moléculaire du nom de CO-0.40-0.22, à seulement 200 années-lumière de Sgr A*.

Avec ses collègues, Tomoharu Oka vient d'apporter des nouvelles preuves de l'existence de ce trou noir intermédiaire. Comme les astrophysiciens l'expliquent dans un article déposé sur arXiv, ils se sont notamment servis pour cela des données fournies par l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, le radiotélescope de l'ESOESO, bien connu sous le nom d'Alma.

Les images d'Alma ont en particulier montré, au cœur de CO-0.40-0.22, une zone plus dense, où les vitesses des gaz tracent le potentiel de gravitation et trahissent, tout comme l'ont fait les mouvements des étoiles autour de Sgr A*, l'existence d'un objet particulièrement massif et compact. En bonus, Alma a également révélé, tout près de ce cœur, l'existence d'une source radio dont les caractéristiques spectrales sont proches de celles associées aux émissionsémissions similaires de notre trou noir supermassif (lequel contient environ 4 millions de masses solaires). Si CO-0.40-0.22 contient bien un trou noir intermédiaire, il pourrait donc s'agir des restes d'une galaxie avalée par la Voie lactée. Le même destin pourrait bien attendre le Grand Nuage de Magellan.

Un autre trou noir géant au cœur de notre galaxie ?

Article de Laurent Sacco publié le 19/01/2016

L'existence d'un trou noir supermassif au sein de notre galaxie, la Voie lactée, fut admise au début des années 2000, grâce à l'étude des orbitesorbites de certaines étoiles. Selon des astronomes japonais, un autre astreastre compact l'accompagnerait probablement, à seulement 200 années-lumière. Il s'agirait d'un trou noir dit de masse intermédiaire.

Si l'on en croit un groupe d'astronomes japonais venant de déposer un article sur arXiv, les héros du film Le Grand Tout auraient peut-être pu apercevoir, non loin du trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée, un autre astre compact relevant de la physiquephysique d'EinsteinEinstein. En effet, il y a déjà quelques années, Tomoharu Oka et ses collègues avaient déjà effectué d'étonnantes observations avec l'Atacama Submillimeter Telescope Experiment (Aste), une antenne-télescopetélescope millimétrique de 10 m de diamètre installée dans le désertdésert d'Atacama, au Chili - elle a servi de prototype pour la constructionconstruction de l'Atacama Large Millimeter Array (Alma).

Tout comme l'antenne de 45 m de diamètre située à Nobeyama, au Japon, qui a également été utilisée dans le cadre de leur dernière étude, Aste est un radiotélescope permettant d'étudier les émissions dans le domaine radiomillimétrique, notamment des moléculesmolécules de monoxyde de carbonemonoxyde de carbone CO. Ces molécules sont des traceurs de la présence des nuages moléculaires géants composés de dihydrogène et donnent aussi des indications sur leur état. Puisque l'hydrogènehydrogène, sous forme atomique, est très minoritaire dans ces nuages, il est impossible de détecter ces molécules à grande distance avec la fameuse raie à 21 cm. Cependant, les molécules de H₂, en entrant en collision avec les molécules de CO, leur transfèrent de l'énergieénergie qu'elles émettent par la suite sous forme d'ondes radio détectables au loin dans la Voie lactée. Surtout, ces ondes peuvent traverser les nuages de poussière qui cachent bon nombre d'étoiles présentes vers le centre de la Galaxie.

Les chercheurs avaient donc découvert, grâce à ces molécules, que des nuages massifs existaient non loin de ce centre. Ils en avaient même déduit que de tels nuages pouvaient peut-être donner naissance à des trous noirs intermédiaires. La masse de ces objets se situe entre celle des trous noirs stellaires (quelques dizaines de masses solaires tout au plus) et celle des trous noirs supermassifs (quelques millions à quelques milliards de masses solaires). Les trous noirs intermédiaires, dont l'hypothèse de l'existence est soutenue par quelques rares observations, sont potentiellement importants pour résoudre une énigme en astrophysique, celle de l'origine des trous noirs supermassifs.

L'énigme des trous noirs supermassifs

L'origine des trous noirs stellaires ne fait pas de doute : ils se forment à partir de l'explosion d'étoiles contenant initialement au moins 30 masses solaires. Il est en revanche plus difficile de rendre compte de la naissance d'un trou noir de 4 millions de masses solaires comme Sagittarius A*Sagittarius A*, situé au centre de notre galaxie. Comme la masse des trous noirs supermassifs est corrélée à celle des galaxies les hébergeant, il semble clair que ces deux types d'objets astronomiques évoluent de concert. Cela laisse penser que, lors des collisions accompagnées de fusions entre les galaxies, les trous noirs massifs de ces dernières coalescent aussi en émettant notamment des ondes gravitationnelles que certains se préparent à observer.

L'image de gauche montre le centre de la Voie lactée tel qu'il apparaît observé à des longueurs d'onde correspondant à celles des émissions des molécules de monoxyde de carbone (CO). Les régions les plus denses sont en blanc, marquant la présence d'un trou noir supermassif – c'est là que se trouve Sgr A*. La barre jaune donne l'échelle des distances en parsecs ce qui, dans le cas présent, correspond à 326 années-lumière. L'image de droite montre des émissions de la molécule de HCN qui trahissent la présence de coquilles (shell, en anglais sur l'image) de gaz contenant cette molécule. L'une d'elle subit l'influence du champ de gravitation d'un nuage baptisé CO-0.40-0.22. © Tomoharu Oka, Keio University

Ce scénario est plausible car il existe des galaxies contenant deux trous noirs supermassifs et qui semblent être le résultat d'une fusion récente. L'existence de trous noirs intermédiaires a donc été postulée. Leurs masses seraient comprises entre quelques centaines et quelques centaines de milliers de masses solaires et ils serviraient de graines pour la naissance des trous noirs supermassifs. Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer la formation de ces graines mais il n'existait pas, jusqu'à présent, d'observations solidessolides permettant de contraindre ces scénarios.

Un trou noir intermédiaire trahi par l'effet Doppler ?

Eh bien justement, Tomoharu Oka et ses collègues sont arrivés à la conclusion que le nuage moléculaire baptisé CO-0.40-0.22 (qu'ils étudient avec les radiotélescopes Aste et de Nobeyama et qui se trouve à seulement 200 années-lumière environ du centre de notre galaxie), pourrait bel et bien envelopper un tel trou noir intermédiaire.

Les astrophysiciens ont en effet mesuré des vitesses anormales pour les molécules dans ce nuage. Les raies d'émission de 18 molécules différentes présentent des décalages très variés causés par l'effet Dopplereffet Doppler, ce qui trahit une dispersion anormalement large des valeurs de ces vitesses. Pour reproduire ces vitesses à l'aide d'un modèle sur ordinateurordinateur, il a fallu postuler l'existence dans CO-0.40-0.22 d'un astre qui contiendrait environ 100.000 masses solaires dans une région dont la taille est de 0,6 années-lumière.

Compte tenu de ces chiffres, il semble impossible, selon les chercheurs, de ne pas postuler la présence d'un objet compact qui soit un trou noir. Ils reconnaissent toutefois qu'aucune émission dans l'infrarougeinfrarouge ou dans le domaine des rayons X n'a été détectée alors que l'on pourrait s'y attendre avec un trou noir. Cela n'est pas forcément rédhibitoire car il pourrait exister plusieurs millions de trous noirs dans la Voie lactée et une dizaine d'entre eux seulement ont été repérés, ce qui laisse penser que, pour plusieurs raisons, ces astres se signalent difficilement par des accrétionsaccrétions de matière. Ces dernières seraient donc généralement peu importantes.

En tout état de cause, si CO-0.40-0.22 contient vraiment un trou noir, il semble maintenant possible d'en détecter d'autres dans des régions obscures de la Voie lactée en utilisant des radiotélescopes.