Alors que l’on suppose généralement que les étoiles massives explosent en supernova avant de former un trou noir, des astronomes affirment avoir identifié une étoile qui se serait directement effondrée en trou noir. Située dans la galaxie d’Andromède, à environ 2,5 millions d’années-lumière de la Terre, l’étoile a progressivement gagné en luminosité pendant trois ans avant de s’éteindre brutalement, ne laissant derrière elle qu’une enveloppe de gaz et de poussière — un processus qui pourrait s’expliquer par un effondrement direct.
Les étoiles massives se dilatent et présentent des activités périodiques à la fin de leur vie, lorsqu’elles épuisent leur combustible thermonucléaire, un processus qui provoque une fusion nucléaire instable dans leur noyau et entraîne l’effondrement gravitationnel de celui-ci. L’effondrement du noyau peut aussi être provoqué par la présence d’une étoile compagne attirant gravitationnellement la matière de l’étoile dilatée et dénudant son noyau.
Une fois exposé ou instable, le cœur s’effondre et explose généralement en supernova, un processus violent qui éjecte l’enveloppe restante de l’étoile, provoquant un gain de luminosité soudain facilement détectable par les télescopes optiques. Cette explosion est généralement suivie d’un effondrement gravitationnel conduisant à la formation d’un trou noir.
Il est théorisé depuis les années 1970 que les étoiles massives peuvent aussi s’effondrer directement en trou noir sans exploser au préalable en supernova. Plutôt que de gagner en luminosité de manière soudaine, ces étoiles laisseraient derrière elles un faible rayonnement infrarouge émanant de leur dernier souffle lorsqu’elles éjectent leurs enveloppes externes et se retrouveraient enveloppées de gaz et de poussière, comme des « supernovae ratées ».
Cependant, malgré des décennies de recherche et bien que les astronomes estiment que ce processus devrait être assez fréquent dans l’Univers, très peu de preuves observationnelles ont été rapportées à ce jour. Une équipe co-dirigée par l’Université de Columbia, aux États-Unis, affirme avoir identifié l’un de ces trous noirs à effondrement direct dans la grande galaxie d’Andromède (ou M31), à environ 2,5 millions d’années-lumière de la Terre.
« C’est sans doute la découverte la plus surprenante de ma vie », a déclaré dans un communiqué Kishalay De, professeur d’astronomie à l’Université de Columbia et auteur principal de l’étude. « La preuve de la disparition de l’étoile se trouvait dans des archives publiques et personne ne l’avait remarquée pendant des années, jusqu’à ce que nous la découvrions », a-t-il ajouté.
Un déclin prolongé dans l’infrarouge moyen
L’équipe de Kishalay De analysait les images séquentielles de M31 prises tous les six mois entre 2009 et 2022, à la recherche de sources lumineuses variables. « Grâce à ces observations semestrielles réalisées entre 2009 et 2022, nous avons recherché des transitoires lumineux dans l’infrarouge moyen susceptibles d’accompagner des éruptions stellaires poussiéreuses, comme des supernovae avortées », expliquent les chercheurs dans leur étude publiée récemment dans la revue Science.
En 2014, le télescope spatial NEOWISE de la NASA a identifié une étoile devenant plus lumineuse dans l’infrarouge. Baptisée M31-2014-DS1, l’étoile a montré, d’après les analyses d’images, qu’il s’agissait d’une supergéante rouge. À partir de 2014, le flux de rayonnement infrarouge moyen émanant de l’étoile a augmenté de 50 % sur une période de deux ans. Passée cette période, les flux de rayonnement infrarouge ont commencé à diminuer en intensité pendant environ un an, passant en dessous de leur niveau initial — une baisse qui s’est poursuivie jusqu’en 2022.
Les observations provenant d’autres télescopes indiquent que la luminosité optique de l’étoile a diminué d’un facteur d’environ 100 entre 2016 et 2019, avant de devenir indétectable par les instruments optiques terrestres à partir de 2023. Le télescope spatial Hubble n’a rien détecté dans le rayonnement optique en 2022, mais seulement un faible signal dans le proche infrarouge. Ces observations ont été confirmées par le télescope Keck Observatory, qui a lui aussi détecté un faible rayonnement proche infrarouge en 2023.
Cette figure illustre la localisation et la disparition de M31-2014-DS1. L’image principale de PanSTARRS montre l’objet dans la galaxie d’Andromède. Les six panneaux de droite, acquis à différentes années, montrent l’objet sous différentes longueurs d’onde et à différentes périodes. Ils témoignent de sa disparition progressive. © De et al. 2026. Science.D’après les chercheurs, cette évolution du rayonnement est compatible avec l’hypothèse d’un effondrement direct en trou noir, conformément aux prédictions théoriques. Le déclin prolongé du flux de rayonnement infrarouge suggérerait ainsi l’absence de supernova.
Un effondrement direct dépendant des neutrinos
Cet effondrement direct dépendrait des mécanismes liés aux neutrinos produits par le cœur de l’étoile au moment de son déclin. Selon les modèles actuels, ces particules jouent un rôle crucial dans le chauffage susceptible de relancer l’onde de choc issue du rebond du cœur. Si cette onde est suffisamment puissante, l’étoile explose en supernova. En revanche, « si l’onde de choc ne parvient pas à éjecter l’enveloppe, celle-ci devrait retomber sur le noyau en effondrement, produisant un trou noir stellaire et entraînant la disparition de l’étoile », écrivent les chercheurs. En d’autres termes, l’étoile s’est effondrée vers l’intérieur.
Les estimations suggèrent que la masse de l’étoile est passée d’environ 13 masses solaires à 5, indiquant qu’elle aurait éjecté une grande partie de sa matière sous l’effet de puissants vents stellaires. Sa détection suggère que ce type d’étoile à effondrement direct est plus courant qu’on pourrait le penser et pourrait aider à identifier d’autres candidats.
Un autre candidat au statut de trou noir à effondrement direct a, par exemple, été détecté en 2010 dans NGC 6946, une grande galaxie spirale située à environ 25 millions d’années-lumière. Baptisé N6946-BH1, il serait également né d’une supergéante et sa luminosité a connu un fort gain d’intensité avant de diminuer progressivement. Cependant, il est près de dix fois plus éloigné que M31-2014-DS1 et les données d’observation ne sont pas de qualité suffisante pour en déterminer l’origine exacte.
L’image de Hubble à gauche montre N6946-BH1 en 2007, mais elle n’apparaît pas sur une image du même lieu prise en 2015. © NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)La détection de ce type d’étoile et de trou noir reste difficile car, contrairement aux supernovae qui brillent intensément en explosant, leur rayonnement est bien plus discret. « Contrairement à la détection des supernovae, qui est facile car la supernova éclipse toute sa galaxie pendant quelques semaines, la recherche d’étoiles individuelles qui disparaissent sans produire d’explosion est remarquablement difficile », souligne Kishalay De. Leur détection suscite néanmoins un intérêt croissant depuis l’identification de M31-2014-DS1.
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