Malgré les avancées réalisées au cours de ces dernières années en astrophysique, les trous noirs restent des objets fascinants dont il reste encore beaucoup à découvrir. Il est possible de les catégoriser selon leur masse, et certains types de trous noirs ont été théorisés sans pour autant avoir été formellement et clairement observés. C’est le cas des trous noirs intermédiaires, dont l’un des représentants a été pour la première fois concrètement identifié tandis qu’il détruisait une étoile.

Les trous noirs peuvent se décliner en plusieurs types selon leur masse. Les plus faiblement massifs sont les trous noirs stellaires avec une masse comprise entre cinqu et quelques dizaines de masses solaires. Viennent ensuite les trous noirs intermédiaires avec une masse comprise entre 102 et 105 masses solaires. Puis il y a les trous noirs supermassifs, avec une masse comprise entre 105 et 109 masses solaires et enfin, les trous noirs ultramassifs, avec une masse supérieure à 109 masses solaires (1 milliard de masses solaires).

Chacun d’eux possède un mécanisme de formation et d’évolution théorique propre permettant d’expliquer leur masse, bien que ces mécanismes souffrent de certaines lacunes, notamment lorsqu’il s’agit d’expliquer la formation de trous noirs supermassifs dans les débuts de l’univers. Parmi ces trous noirs, seuls les trous noirs intermédiaires (TNI) n’ont jamais été concrètement (sans ambiguïté) détectés, bien que plusieurs candidats aient été identifiés depuis le début des années 2000, et que les signatures observées soient prometteuses. C’est désormais chose faite puisqu’une équipe internationale d’astrophysiciens vient d’exposer, dans la revue Nature Astronomy, la découverte d’un TNI.

Les trous noirs intermédiaires : des objets insaisissables

Les TNI sont proposés dès 1970 comme des trous noirs de masse comprise 100 et 10’000 masses solaires, et situés dans les amas stellaires tels que les amas ouverts et globulaires. Trop massifs pour se former à partir de l’effondrement d’une seule étoile comme les trous noirs stellaires, et trop peu massifs pour se former au centre des galaxies comme les trous noirs supermassifs, les TNI sont donc suspectés se former dans des milieux stellaires denses.

Il existe actuellement trois scénarios de formation : la fusion de deux trous noirs stellaires, la collision de plusieurs étoiles et leur effondrement gravitationnel, et l’évolution de trous noirs primordiaux (hypothétiques) en TNI.

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Vue d’artiste d’un trou noir intermédiaire (TNI). Situé entre les trous noirs stellaires et supermassifs, les TNI sont localisés dans les amas stellaires, hors du centre des galaxies. Crédits : Harvard/Smithsonian

Les indices observationnels de la présence de TNI passent tout d’abord par l’observation de sources de rayons X très brillantes, plus brillantes que pour un trou noir stellaire, et localisées hors du centre des galaxies, les différenciant ainsi des trous noirs supermassifs.

De telles sources sont appelées « Sources de Rayons X Ultra-lumineuses » (Ultra-luminous X-ray sources, ULX). Ensuite, des mesures de la vélocité d’étoiles situées au centre d’amas globulaires peuvent indiquer la présence potentielle d’un TNI. Les modèles théoriques utilisant la relation M-Sigma prédisent en outre l’existence de TNI au sein de galaxies très peu lumineuses.

De nombreux candidats ont été identifiés sur la base des indices, mais aucun n’a été formellement confirmé comme étant un TNI. Une première observation d’un objet faisant 1300 masses solaires, considérée comme un TNI, a été effectuée en 2004 dans un amas stellaire pauvre (7 étoiles), situé à 0.4 années-lumière du centre de la Voie lactée ; cependant, ces résultats ont été contredits quelque temps après, laissant un doute sur cette découverte.

Une observation de 2006 a permis de mettre en évidence l’existence d’oscillations quasi-périodiques (QPO) dont un TNI, nommé M-82 X1, serait la source ; mais là encore, les données ne sont pas suffisantes pour statuer définitivement. En 2016, un candidat de 100’000 masses solaires situé à 200 années-lumière de Sgr A*, a été identifié sans être confirmé.

J2150–0551 : le trou noir intermédiaire révélé par la destruction d’une étoile

Le trou noir détecté par les astrophysiciens se situe dans une galaxie lenticulaire géante — 6dFGS gJ215022.2-055059 —  localisée à 740 millions d’années-lumière de la Terre. La découverte a été réalisée tandis que les scientifiques cherchaient des traces d’événements de rupture par effet de marée (tidal disruption event, TDE) dans le X-ray Multi-Mirror Mission (XMM)-Newton catalogue de l’ESA.

Les TDE sont des phénomènes qui interviennent lorsqu’une étoile se rapproche suffisamment d’un trou noir pour être déformée puis disloquée par ses puissants effets de marée gravitationnelle. Un tel événement n’est pas rare et produit généralement une grande quantité de rayons X.

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La source lumineuse de rayons X indiquant l’emplacement du trou noir intermédiaire, est localisée par le cercle vert. Crédits : Dacheng Lin & al.

Les TDE se produisent majoritairement au centre des galaxies, lorsqu’une étoile est détruite par un trou noir supermassif. Cependant, dans ce cas-ci, la source très lumineuse de rayons X identifiée se trouve à 12.5 Kpc du centre de la galaxie, dans un amas stellaire massif.

La signature thermique de l’événement, la très haute luminosité du rayonnement, l’énergie des rayons X et la loi de puissance des courbes lumineuses indiquent qu’il s’agit d’un TDE provoqué par un trou noir intermédiaire, nommé J2150–0551, d’une masse estimée à 50’000 masses solaires.

La source lumineuse a été repérée sur deux images datant de 2005. D’après les auteurs, en comparant les données, l’étoile a été disloquée en octobre 2003, produisant un sursaut de rayonnement qui a progressivement diminué au cours des dix dernières années. En effet, l’événement a été suivi par de nombreux télescopes, dont le télescope spatial Swift (NASA), Hubble (NASA) et Chandra (NASA) jusqu’en 2016.

Les scientifiques ne s’attendaient pas à découvrir un TDE provenant d’un trou noir intermédiaire. Cette découverte montre que les TDE peuvent constituer de puissants outils de détection des TNI dans les amas stellaires.

En apprendre plus sur les TNI est extrêmement important pour compléter et affiner les modèles théoriques de formation et d’évolution des trous noirs. Notamment, l’un des scénarios de formation des trous noirs supermassifs suggère que ces derniers proviendraient de la fusion de TNI. Les prochaines observations seront donc cruciales.

Source : Nature Astronomy

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