Découverte d’un trou noir extrêmement rare caché au centre de notre galaxie

En étudiant un amas d’étoiles situé à proximité du trou noir supermassif au centre de notre galaxie (Sagittarius A*, ou Sgr A*), des chercheurs ont repéré un autre trou noir de masse intermédiaire, d’un genre extrêmement rare. Le mouvement inhabituel des étoiles ainsi que la présence de gaz ionisé se déplaçant à grande vitesse constitueraient notamment des preuves évidentes d’un trou noir au cœur de l’amas.

Les trous noirs naissent de l’effondrement gravitationnel d’étoiles géantes dont la masse est en moyenne 25 fois supérieure à celle du Soleil. Ils se développent en étant alimentés par le gaz et la poussière qui les environnent, ou par le biais de la fusion avec d’autres trous noirs. La majorité d’entre eux sont soit de masse stellaire (entre 10 à quelques dizaines de fois la masse du Soleil), soit supermassifs (entre quelques millions à des dizaines de milliards de fois la masse du Soleil).

En revanche, les trous noirs de masse intermédiaire (comprise entre 100 et 100 000 fois la masse solaire) sont extrêmement rares. Seule une dizaine ont été détectés à ce jour dans l’univers observable. Or, si les trous noirs évoluent en étant progressivement alimentés par du gaz et de la poussière ou par d’autres trous noirs, il devrait logiquement exister plus de trous noirs intermédiaires. La raison pour laquelle ces trous noirs sont si rares demeure un mystère.

D’un autre côté, ces trous noirs sont particulièrement difficiles à détecter, car, contrairement aux supermassifs, ils ne sont généralement pas entourés de suffisamment de matière pour posséder un disque d’accrétion (le disque brillant de matière ionisée entourant généralement les trous noirs) bien visible. En d’autres termes, ils sont pratiquement invisibles.

Les astrophysiciens estiment que les trous noirs intermédiaires se sont formés peu après le Big Bang et agissent comme des « graines de trou noir » en fusionnant entre eux pour devenir des trous noirs supermassifs. En effet, aucune étoile ne pourrait être suffisamment massive pour former de tels trous noirs.

La nouvelle étude de l’équipe de l’Université de Cologne (en Allemagne), faisant état d’un trou noir intermédiaire à proximité immédiate de notre centre galactique, concorde avec cette hypothèse. Ce trou noir interagirait notamment avec Sgr A* et pourrait potentiellement jouer un rôle clé dans sa croissance et son évolution. Les résultats de la recherche sont détaillés dans The Astrophysical Journal.

Des mouvements stellaires inhabituels

Pour détecter le trou noir intermédiaire, les chercheurs de la nouvelle étude se sont concentrés sur l’amas d’étoiles IRS 13, situé à seulement 0,1 année-lumière du centre de notre galaxie. Il s’agit d’un amas énigmatique et étonnamment compact, initialement identifié comme une étoile inhabituellement massive. « Cet amas d’étoiles fascinant n’a cessé de surprendre la communauté scientifique depuis sa découverte il y a une vingtaine d’années », explique dans un communiqué de l’Université de Cologne Florian Peißker, auteur principal de l’étude. Cependant, de récentes observations en haute résolution ont indiqué qu’il s’agissait bien d’une structure complexe en amas.

D’autre part, de précédentes observations ont montré que l’amas est un site actif de formation d’étoiles et que sa densité semble beaucoup plus élevée que ce qui a antérieurement été suggéré. L’équipe de la nouvelle étude suggère que cela est dû à l’attraction gravitationnelle de Sgr A*.

D’un autre côté, les chercheurs ont également supposé qu’il y a forcément un mécanisme permettant à IRS 13 de maintenir une structure compacte. En effet, il devrait logiquement être déstructuré et non compact, étant donné sa proximité avec Sgr A* et l’intense attraction gravitationnelle qui en résulte.

Afin de décrypter ce mécanisme, les chercheurs ont effectué des observations multi-longueurs d’onde avec le Very Large Telescope au Chili, ainsi qu’avec le télescope Atacama Large Millimeter/submillimeter Array et le télescope spatial à rayons X Chandra.

Il a ainsi été constaté que les étoiles de l’amas IRS 13 se déplacent de manière inhabituelle et ordonnée. « Un examen d’environ 50 orbites stellaires individuelles révèle une nouvelle structure qui ne suit aucune tendance connue dans la littérature », ont écrit les chercheurs dans leur rapport. Or, les étoiles d’un amas sont généralement disposées de manière aléatoire. Les chercheurs ont alors supposé que ce schéma régulier est dû soit à l’interaction gravitationnelle avec Sgr A*, soit à un objet massif situé au centre de l’amas et qui maintient sa structure compacte et coordonne le mouvement de ses étoiles.

En outre, les mouvements stellaires suggèrent qu’il y a un espace qui semble inoccupé au centre d’IRS 13. Or, les autres données d’observation indiquent que l’amas a une masse 30 000 fois supérieure à celle du Soleil, soit plus élevée que celle de tout autre amas d’étoiles connu dans la Voie lactée. Sa région centrale est également entourée d’un anneau émettant d’intenses rayonnements X caractéristiques d’un gaz ionisé tournant à une vitesse de plusieurs centaines de kilomètres par seconde — ce qui suggère la présence d’un disque d’accrétion.

Les chercheurs en ont conclu que le centre d’IRS 13 est occupé par un trou noir intermédiaire. « Grâce aux données à haute résolution, nous pouvons désormais confirmer la composition en éléments constitutifs [de l’amas] avec un trou noir de masse intermédiaire au centre », affirme Peißker.

En prochaine étape, le groupe d’experts prévoit d’étudier davantage le trou noir avec le télescope spatial James Webb et l’Extremely Large Telescope, actuellement en construction dans le désert d’Atacama, au Chili. Ces observations pourraient permettre d’éclairer la raison pour laquelle les trous intermédiaires sont si rares.

Source : The Astrophysical Journal