Des astronomes ont découvert « le trou noir le moins massif ou l’étoile à neutrons la plus massive » jamais détecté(e)

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| University of Western Australia

L’été dernier, des astronomes ont observé des ondulations dans le tissu de l’espace-temps qui ont révélé l’existence d’un objet cosmique pour le moins particulier, que les chercheurs ne peuvent pas définitivement classifier. L’objet mystère pourrait être un petit trou noir, ou une étoile à neutrons d’une taille inattendue. Selon certains, il pourrait peut-être même s’agir de la toute première « étoile à neutrons noire ». Dans tous les cas, c’est une découverte qui pourrait bien changer notre compréhension de l’évolution des étoiles au sein de l’Univers.

Dans un premier temps, il faut savoir que si une étoile est suffisamment massive, elle peut s’effondrer sur elle-même et former un trou noir. Mais certaines étoiles, qui sont également extrêmement massives (mais pas assez pour donner lieu à un trou noir), ont tendance à imploser en fin de vie, provoquant une gigantesque explosion qui s’accompagne d’une augmentation brève mais intense de sa luminosité, générant ainsi une supernova. Ces dernières peuvent alors parfois se transformer en étoiles à neutrons. En effet, ces objets sont le résidu compact issu de l’effondrement gravitationnel du coeur d’une étoile massive quand celle-ci a épuisé son combustible nucléaire.

Un élément intriguant pour les scientifiques, c’est que les plus petits trous noirs ont tendance à avoir une masse d’au moins 5 fois celle du Soleil, tandis que les étoiles à neutrons ont une masse faisant au maximum 2,5 fois celle du Soleil. De ces faits, est né le terme « écart de masse » : une gamme mystérieuse entre la masse des trous noirs et les étoiles à neutrons.

Mais à présent, une nouvelle découverte effectuée par une équipe d’astronomes européens semble proposer une explication quant à cette lacune : suggérant une nouvelle classe d’objets qui était auparavant considérée comme impossible.

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C’est grâce à l’aide de l’Observatoire des ondes gravitationnelles par interférométrie laser, dit LIGO, de la National Science Foundation en Louisiane, et de l’interféromètre Virgo en Italie, qu’une équipe d’experts a découvert un objet céleste inhabituel possédant une masse d’environ 2,6 fois celle du Soleil. « La raison pour laquelle ces résultats sont si excitants est parce que nous n’avons jamais détecté un objet avec une masse qui est fermement à l’intérieur de l’écart de masse théorique entre les étoiles à neutrons et les trous noirs », a expliqué Laura Nuttall, experte en ondes gravitationnelles à l’Institut de cosmologie et de gravitation (dit ICG, de l’anglais Institute of Cosmology and Gravitation) de l’Université de Portsmouth et co-auteure de l’étude. « Est-ce le trou noir le moins massif ou l’étoile à neutrons la plus massive que nous ayons jamais détectée ? », a-t-elle ajouté.

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La découverte implique un objet plus massif que les étoiles à neutrons connues, mais moins massif que les trous noirs communs. En bleu et violet, des trous noirs. En jaune et orange, des étoiles à neutrons. L’échelle représente les masses solaires. Crédits : LIGO-VIRGO/F. Elavsky/A. Geller

L’objet, surnommé « étoile à neutrons noire » par la BBC, a été détecté pour la première fois le 14 août 2019, lorsqu’il a fusionné avec un trou noir massif de 23 masses solaires, se transformant en un trou noir final de 25 masses solaires, à environ 800 millions d’années-lumière de la Terre.

En effet, les chercheurs avaient détecté une ondulation dans la courbure de l’espace-temps. Cette ondulation (une onde gravitationnelle connue sous le nom de GW190814) était l’une des plus fortes jamais observées, et a disparu sans laisser de trace quelques instants après avoir atteint notre planète. Ce n’est donc que presque un an plus tard, après une analyse complète de la détection des ondes gravitationnelles, que les chercheurs ont pu mettre à jour le détail de cette collision cosmique monumentale.

Ces deux objets avaient une masse extrêmement différente. De ce fait, la fusion résultante est très inhabituelle. « C’est un réel défi pour les modèles théoriques actuels que de former des paires d’objets compacts qui fusionnent avec une masse si différente, dans laquelle le partenaire de faible masse réside de plus dans l’écart de masse », a ajouté Vicky Kalogera, professeure à la l’Université Northwestern, et co-auteure de l’étude.

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En effet, le rapport de masse était si étrange… Il a été comparé à « Pac-Man qui mange un petit point en une bouchée » par Kelogera. « Cette découverte implique que ces événements se produisent beaucoup plus souvent que prévu, ce qui en fait un objet de faible masse vraiment intrigant », a-t-elle ajouté.

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Visualisation artistique d’une fusion d’objets cosmiques produisant des ondes gravitationnelles, où un objet est 9,2 fois plus massif que l’autre. Crédits : N. Fischer et ses collègues

Par ailleurs, s’il s’agit d’une étoile à neutrons ultra-massive, « peut-être même qu’une nouvelle physique serait nécessaire pour l’expliquer », a annoncé Rory Smith, astrophysicien à l’Université Monash, en Australie.

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Cependant, à l’heure actuelle, nous ne pouvons toujours pas dire avec certitude que nous savons réellement ce qu’est cet objet : « L’objet mystère peut être une étoile à neutrons fusionnant avec un trou noir, une possibilité excitante et attendue théoriquement, mais qui n’a encore jamais été confirmée par observation », a déclaré Kalogera. « Cependant, à 2,6 fois la masse de notre soleil, l’objet dépasse les prévisions modernes quant à la masse maximale des étoiles à neutrons, et pourrait plutôt être le trou noir le moins massif jamais détecté », a-t-elle ajouté.

« Dans tous les cas, cet objet bat un record », a ajouté Kalogera. Et selon Patrick Brady de l’Université du Wisconsin à Milwaukee, également co-auteur de l’étude, cette nouvelle découverte va très probablement changer la manière dont les scientifiques considèrent les étoiles à neutrons et les trous noirs : « L’écart de masse peut en fait ne pas exister du tout. Mais peut-être en raison des limitations des capacités d’observation. Seuls le temps et davantage d’observations nous le diront », a-t-il déclaré.

Sources : The Astrophysical Journal, University of Portsmouth, BBC

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