Des millions de trous noirs stellaires pourraient évoluer à grande vitesse dans la Voie lactée

Le mécanisme de formation des trous noirs stellaires est bien connu des astrophysiciens : en fin de vie, une étoile massive s’effondre gravitationnellement et forme un trou noir. Cependant, tous les détails de ce mécanisme ne sont pas bien contraints, c’est notamment le cas de ce qu’il arrive au trou noir quand il est frappé par l’énergie de l’explosion de l’étoile progénitrice. Une nouvelle étude vient éclairer ce point en démontrant que certains trous noirs sont éjectés dans l’espace à très grande vitesse lors de cet événement.

Les recherches, publiées sur le serveur de pré-publication arXiv, suggèrent que ces explosions sont si puissantes qu’elles peuvent éjecter les trous noirs à travers la galaxie à des vitesses supérieures à 70 km/s. « Cette étude traite essentiellement de la première preuve observationnelle permettant de voir des trous noirs bouger à grande vitesse dans la galaxie et de les associer à ce phénomène d’éjection au moment de leur formation » explique l’astrophysicien Pikky Atri, de l’Université Curtin.

Et cela signifie qu’il existe potentiellement des millions de trous noirs de masse stellaire évoluant à grande vitesse à travers la galaxie. L’étude est basée sur 16 trous noirs appartenant à des systèmes binaires. L’équipe internationale de chercheurs a utilisé la dynamique particulière de ces systèmes pour tenter de reconstruire l’histoire des trous noirs.

« Nous avons suivi l’évolution de ces systèmes dans notre galaxie. Nous avons donc déterminé leur vitesse aujourd’hui, remonté dans le temps, et essayé de comprendre quelle était la vitesse du système à sa naissance, individuellement pour chacun de ces 16 systèmes. Sur la base des vitesses, vous pouvez réellement savoir s’ils sont nés suite à une explosion de supernova ou si les étoiles se sont directement effondrées sur elles-mêmes sans une explosion de supernova » déclare Atri.

Éjection de Blaauw : des trous noirs propulsés dans l’espace lors de leur formation

Les astrophysiciens savent que les étoiles à neutrons peuvent être violemment éjectées à grande vitesse dans l’espace par leurs propres explosions de supernova — ceci s’appelle l’éjection de Blaauw, ou éjection natale, et se produit lorsque l’explosion de la supernova est déséquilibrée, entraînant un recul. Toutefois, il n’était pas certain que ce mécanisme puisse s’appliquer aux trous noirs. Hypothétiquement, rien ne l’empêchait — et en effet, sept trous noirs de systèmes binaires ont déjà été associés à ces éjections.

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La nouvelle recherche a analysé ceux-ci, ainsi que neuf autres, de manière plus détaillée, en combinant la mesure des mouvements propres, des vitesses radiales systémiques et des distances.

Les chercheurs ont découvert que 12 de ces 16 binaires à rayons X (soit 75% de l’échantillon) avaient effectivement des vitesses et des trajectoires élevées indiquant une éjection natale. Si cela s’applique aux quelque 10 millions de trous noirs potentiels de la Voie Lactée, cela pourrait représenter environ 7.5 millions de trous noirs à grande vitesse.

Mieux comprendre l’évolution des étoiles en trous noirs

Conformément aux théories précédentes, ces trous noirs rapides sont trois fois plus lents que les étoiles à neutrons frappées, en raison de leur masse plus élevée. Fait intéressant, il ne semblait exister aucune corrélation entre la masse du trou noir et la vitesse, ce qui signifie que nous ne savons pas encore s’il existe une corrélation entre la masse de l’étoile progénitrice et la probabilité d’une supernova.

Il s’agit bien entendu d’un échantillon relativement petit de trous noirs. Mais, selon Atri, cela représente un pas en avant vers la constitution d’un échantillon plus large, qui pourrait nous aider à comprendre comment les étoiles évoluent, meurent et donnent lieu à des trous noirs. « À terme, tout cela contribuera au nombre de trous noirs que nous estimons dans notre galaxie et au nombre de trous noirs qui vont réellement fusionner pour aboutir aux détections d’ondes gravitationnelles faites par LIGO ».

Sources : arXiv