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Un trou noir mystérieusement disparu ? Non…

aucune disparition mysterieuse trou noir
| NASA/Chandra

Malgré des recherches effectuées avec l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA et le télescope spatial Hubble, les astronomes n’ont toujours aucune preuve de la présence d’un potentiel trou noir supermassif de masse comprise entre 3 milliards et 100 milliards de fois celle du Soleil, qui serait situé au centre de la plus grande galaxie de l’amas galactique Abell 2261, à environ 2.7 milliards d’années-lumière de la Terre. Faisant suite à ces conclusions, de nombreux médias se sont emparés de l’information, ayant recours à des titres comme « Un trou noir supermassif a disparu » ou encore « La disparition mystérieuse d’un trou noir intrigue la NASA ». Malheureusement, ces titres (et souvent les articles qui en découlent) résultent d’une mauvaise interprétation des résultats des chercheurs et conduisent donc à une information totalement incorrecte. Soyons donc clairs dès le début : non, aucun trou noir n’a disparu.

Presque toutes les grandes galaxies de l’Univers contiennent un trou noir supermassif en leur centre, avec une masse allant de millions à des milliards de fois celle du Soleil. Étant donné que la masse d’un trou noir central suit généralement la masse de la galaxie elle-même, les astronomes s’attendent à ce que la plus grande galaxie au centre d’Abell 2261 contienne un trou noir supermassif qui rivalise avec certains des plus grands trous noirs connus de l’Univers.

En utilisant les données de Chandra obtenues en 1999 et 2004, les astronomes avaient déjà recherché au centre de la grande galaxie centrale d’Abell 2261 les signes d’un trou noir supermassif. Ils ont recherché de la matière surchauffée attirée par le trou noir et produisant des rayons X, mais n’ont pas détecté de tels signaux. Avec de nouvelles observations de Chandra plus longues effectuées en 2018, une équipe dirigée par Kayhan Gultekin de l’Université du Michigan a mené une recherche plus approfondie du trou noir supposé au centre de la galaxie.

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Les chercheurs ont également envisagé une autre explication, dans laquelle le trou noir a été éjecté du centre de la galaxie hôte. Cet événement violent peut avoir résulté de la fusion de deux galaxies pour former la galaxie observée, accompagnée du trou noir central de chaque galaxie fusionnant pour former un énorme trou noir. Lorsque les trous noirs fusionnent, ils produisent des ondulations dans l’espace-temps appelées ondes gravitationnelles.

Fusion de trous noirs et hypothèse du trou noir éjecté

Si l’énorme quantité d’ondes gravitationnelles générées par un tel événement était plus forte dans une direction que dans une autre, la théorie prédit que le nouveau trou noir, encore plus massif, aurait été éjecté du centre de la galaxie dans la direction opposée. C’est ce qu’on appelle un trou noir éjecté (ou en recul). Les astronomes n’ont pas trouvé de preuves définitives du recul des trous noirs et on ne sait pas si les trous noirs supermassifs se rapprochent suffisamment les uns des autres pour produire des ondes gravitationnelles et fusionner. Jusqu’à présent, les astronomes n’ont confirmé que des fusions de trous noirs beaucoup plus petits.

ejection trou noir ondes gravitationnelles
Cette illustration montre comment les ondes gravitationnelles peuvent propulser un trou noir depuis le centre d’une galaxie. Le scénario commence dans le premier panneau avec la fusion de deux galaxies, chacune avec un trou noir central. Dans le deuxième panneau, les deux trous noirs de la galaxie nouvellement fusionnée s’installent au centre et commencent à tourbillonner l’un autour de l’autre. Cette action énergétique produit des ondes gravitationnelles. Alors que les deux objets massifs continuent à rayonner de l’énergie gravitationnelle, ils se rapprochent l’un de l’autre au fil du temps, comme on le voit dans le troisième panneau. Si les trous noirs n’ont pas la même masse et la même vitesse de rotation, ils émettent des ondes gravitationnelles plus fortement dans une direction, comme le montre la zone lumineuse en haut à gauche. Les trous noirs fusionnent finalement dans le quatrième panneau, formant un trou noir géant. L’énergie émise par la fusion propulse le trou noir loin du centre dans la direction opposée des ondes gravitationnelles les plus fortes. © NASA/ESA/A. Feild

La galaxie au centre d’Abell 2261 est un excellent amas pour rechercher un trou noir éjecté, car il y a deux signes indirects qu’une fusion entre deux trous noirs massifs aurait pu avoir lieu. Premièrement, les données des observations optiques de Hubble et Subaru révèlent un noyau galactique beaucoup plus grand que prévu pour une galaxie de sa taille. Le deuxième signe est que la concentration d’étoiles la plus dense de la galaxie se trouve à plus de 2000 années-lumière du centre de la galaxie, ce qui est remarquablement éloigné.

Ces caractéristiques ont d’abord été identifiées par Marc Postman du Space Telescope Science Institute (STScI) et des collaborateurs dans des images de Hubble et Subaru antérieures, et les ont amenés à suggérer l’idée d’un trou noir résultant d’une fusion dans Abell 2261. Lors d’une fusion, le trou noir supermassif dans chaque galaxie descend vers le centre de la galaxie résultante de la fusion. S’ils se lient les uns aux autres par la gravité et que leur orbite commence à se rétrécir, les trous noirs devraient interagir avec les étoiles environnantes et les éjecter du centre de la galaxie.

Cela expliquerait le grand noyau d’Abell 2261. La concentration décentrée d’étoiles peut également avoir été causée par un événement violent tel que la fusion de deux trous noirs supermassifs et le recul ultérieur d’un seul trou noir plus grand qui en aurait résulté. Même s’il existe des indices selon lesquels une fusion de trous noirs a eu lieu, ni les données de Chandra ni celles de Hubble n’ont montré de preuves du trou noir lui-même. Gultekin et son équipe avaient précédemment utilisé Hubble pour rechercher un groupe d’étoiles qui aurait pu être emporté par l’éjection d’un trou noir.

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Aucun signe de la présence d’un trou noir central galactique

Ils ont étudié trois amas près du centre de la galaxie et ont examiné si les mouvements des étoiles dans ces amas étaient suffisamment amples pour suggérer la présence d’un trou noir de dix milliards de masses solaires. Aucune preuve claire d’un trou noir n’a été trouvée dans deux des amas et les étoiles de l’autre étaient trop faibles pour produire des conclusions utiles.

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Ils ont également étudié Abell 2261 avec le Very Large Array Karl G. Jansky Telescope de la NSF. L’émission radio détectée près du centre de la galaxie a montré des indices que l’activité d’un trou noir supermassif s’était produite il y a 50 millions d’années, mais n’indiquait pas que le centre de la galaxie contenait actuellement un tel trou noir.

Ils se sont ensuite tournés vers Chandra pour rechercher de la matière qui avait été surchauffée et qui avait produit des rayons X en tombant vers le trou noir. Bien que les données de Chandra aient révélé que le gaz chaud le plus dense n’était pas au centre de la galaxie, elles n’ont révélé aucune signature aux rayons X possible d’un trou noir supermassif en croissance — aucune source de rayons X n’a ​​été trouvée au centre de l’amas, ou dans l’un des amas d’étoiles, ou sur le site de l’émission radio. Les auteurs ont conclu qu’il n’y avait pas de trou noir, à aucun de ces endroits, ou qu’il attire la matière trop lentement pour produire un signal radio détectable.

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La véritable (et seule conclusion) de ces résultats est qu’aucun trou noir n’a pour le moment été détecté au centre de la plus grande galaxie d’Abell 2261. Même si les modèles galactiques indiquent qu’un trou noir devrait exister à cet endroit, cela ne constitue pas pour autant une certitude. Trois scénarios sont donc possibles : 1) il n’existe aucun trou noir ; 2) le trou noir a été éjecté suite à une fusion ; 3) l’activité du trou noir est trop faible pour être détectée. Mais en aucun cas un trou noir n’a disparu. Disparaître, en science, implique avoir préalablement été détecté (ou l’existence de preuves solides d’une existence passée). Or, jusqu’à maintenant, aucune preuve expérimentale définitive n’indique la présence actuelle ou antérieure d’un trou noir à cet endroit.

Sources : arXiv

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