Les trous noirs font certainement partie des objets les plus mystérieux du catalogue cosmique. Prévus dès le début du 20ème siècle dans le cadre de la relativité générale, les modèles actuels en décrivent plusieurs types : trous noirs stellaires, trous noirs intermédiaires et trous noirs supermassifs. Chacun de ces types a été détecté au cours des dernières années. Mais les modèles prévoient aussi d’autres trous noirs hypothétiques, tels que les trous noirs primordiaux, les micro trous noirs ou encore les mini trous noirs. Ces derniers seraient des trous noirs dont la masse se situerait entre celle d’une étoile à neutrons et celle d’un trou noir stellaire. Et pour la première fois, des cosmologistes pourraient en avoir détecté un.

Les astronomes recherchent généralement les trous noirs dans notre galaxie en observant les rayons X qui sont émis lorsque les trous noirs absorbent le matériau provenant d’étoiles proches. La friction thermique au sein du disque d’accrétion engendre, en effet, l’émission d’un puissant rayonnement électromagnétique. Dans les galaxies plus lointaines, cette recherche peut passer par la détection des ondes gravitationnelles produites par la fusion de deux trous noirs.

Mais un groupe de chercheurs s’est demandé s’il pourrait y avoir des trous noirs de masse relativement faible qui n’émettent pas les signaux de rayons X révélateurs. De tels trous noirs hypothétiques existeraient probablement dans un système binaire avec une autre étoile, bien qu’ils orbitent suffisamment loin de cette étoile pour ne pas en absorber de trop grandes quantités.

Mini trous noirs : ils se trahiraient par les variations de luminosité de leur étoile compagnon

Les chercheurs ont supposé que ces petits trous noirs n’émettraient pas de rayons X détectables et resteraient donc invisibles pour les astronomes, selon Todd Thompson, professeur d’astronomie à l’Ohio State University. « Nous sommes à peu près sûrs qu’il doit y avoir beaucoup, beaucoup de ces trous noirs dans les systèmes binaires avec des étoiles dans les galaxies, mais nous ne les avons pas détectés parce qu’ils sont difficiles à trouver ».

Thompson et ses collègues ont cherché des preuves de ces trous noirs dans les compagnons stellaires des objets proposés. Ils ont passé au crible les données de l’Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE), contenant des informations sur le spectre de la lumière de plus de 100’000 étoiles dans notre galaxie.

Les informations de cette étude ont révélé des spectres changeants pour chacune de ces étoiles. Un tel changement pourrait signifier qu’une étoile en particulier gravite autour d’un compagnon invisible. Après avoir effectué cette analyse, les chercheurs ont examiné les changements de luminosité d’un sous-ensemble d’étoiles susceptibles de graviter autour de trous noirs, en utilisant les données d’une autre mission appelée ASA-SN (All-Sky Automated Survey for Supernovae).

Un objet trop massif pour être une étoile à neutrons… mais trop peu massif pour être un trou noir stellaire

C’est ainsi que les chercheurs ont découvert un objet noir massif, pris dans une étreinte gravitationnelle avec une étoile géante en rotation rapide, située à environ 10’000 années-lumière de la Terre, aux confins de notre galaxie (près de la constellation du Cocher).

Ils ont estimé que la masse de cet objet était environ 3.3 fois celle de notre Soleil, trop massive pour être une étoile à neutrons et pas assez massive comparée à celle des trous noirs connus. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

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contrainte masse

Graphique présentant la contrainte observationnelle posée sur la masse de l’objet. Le résultat le plus précis indique environ 3.3 masses solaires. Crédits : Todd A. Thompson et al. 2019

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Les étoiles à neutrons les plus massives que les astrophysiciens connaissent font 2.1 masses solaires, alors que le trou noir le moins massif connu fait environ cinq à six fois la masse de notre Soleil, selon Thompson. Cependant, la limite de masse inférieure du nouvel objet trouvé correspond à 2.6 fois la masse du Soleil, ce qui, selon les astronomes, constitue la limite supérieure théorique de masse des étoiles. Plus massive que cela, l’étoile à neutrons s’effondrerait en un trou noir.

L’hypothèse réaliste de la détection d’un mini trou noir

Donc, cet objet sombre et mystérieux « pourrait être l’étoile à neutrons la plus massive jamais vue. Juste à la frontière après laquelle elle ne peut plus exister. En fait, je serais encore plus excité si cela était vrai. Mais il est plus que probable que ce soit un type de trou noir de masse relativement basse, théorisé mais jamais découvert auparavant » explique Thompson.

masse mini tn

Les mini trous noirs, des trous noirs dont la masse est située entre celle des étoiles à neutrons et des trous noirs stellaires, sont théorisés depuis de nombreuses années. Crédits : LIGO-Virgo, Frank Elavsky, Northwestern (Modified by Todd Thompson)

Dejan Stojkovic, cosmologiste et professeur de physique à l’université des arts et sciences de Buffalo, confirme ces résultats. « C’est probablement un trou noir, parce que c’est trop massif pour être une étoile à neutrons, à moins que ce soit une sorte d’étoile inhabituelle. La découverte semble très raisonnable, mais pas inattendue, car les astronomes savent qu’il existe des trous noirs de masse inférieure ».

Thompson a déclaré qu’il attendait avec impatience les découvertes futures, telles que des informations sur l’inclinaison de l’orbite de l’étoile autour de l’objet sombre que le vaisseau spatial Gaia de l’Agence spatiale européenne pourrait rassembler lors d’une prochaine mission. Cela pourrait aider les chercheurs à mesurer plus précisément la masse de l’objet sombre.

Sources : Science

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