Un probable trou noir « isolé » détecté pour la première fois

Grâce à la méthode de microlentille gravitationnelle, une équipe d’astronomes dirigée par l’Université de Californie à Berkeley a peut-être découvert le premier trou noir évoluant librement, né de l’effondrement d’une étoile massive. Les chercheurs estiment que sa masse est comprise entre 1,6 et 4,4 masses solaires, ce qui suggère qu’il pourrait aussi s’agir d’une étoile à neutrons. Dans les deux cas, c’est la première fois qu’un tel « fantôme stellaire » est découvert errant dans la galaxie.

Il existe plusieurs types de trous noirs ; on distingue notamment les trous noirs supermassifs, qui se trouvent au centre des galaxies, les trous noirs intermédiaires, de quelques milliers de masses solaires, et les trous noirs stellaires, de quelques masses solaires seulement, qui se forment suite à l’effondrement gravitationnel d’une étoile massive. Ces trous noirs sont bien sûr optiquement invisibles et les astronomes doivent employer des méthodes d’observation indirectes pour détecter leur présence.

Ces méthodes reposent sur les effets que produit le trou noir sur son environnement proche. Du fait qu’ils sont isolés, les trous noirs stellaires sont particulièrement difficiles à détecter. Il en existerait pourtant des centaines de millions dans notre galaxie ! Pour la première fois, des chercheurs pensent avoir détecté un tel trou noir grâce à ce que l’on appelle l’effet de microlentille gravitationnelle : la lumière émise par une étoile lointaine a été déformée pendant une durée relativement longue par le puissant champ gravitationnel du supposé trou noir.

Trou noir ou étoile à neutrons ?

Les astronomes pensent que les restes d’une étoile morte doivent être plus lourds que 2,2 masses solaires pour s’effondrer en un trou noir. Par conséquent, l’équipe à l’origine de la découverte souligne qu’il pourrait également s’agir d’une étoile à neutrons et non d’un trou noir. Les étoiles à neutrons, qui résultent elles aussi de l’effondrement d’étoiles massives, sont des objets denses et compacts ; la différence est que leur gravité est compensée par la pression interne des neutrons, ce qui les empêche de devenir des trous noirs.

Dans tous les cas, c’est la première fois qu’un tel objet, indépendant de toute autre étoile, est découvert. « Il s’agit du premier trou noir ou de la première étoile à neutrons flottant librement découvert par microlentillage gravitationnel. […] Je pense que nous avons ouvert une nouvelle fenêtre sur ces objets sombres, qui ne peuvent être vus d’aucune autre manière », a déclaré Jessica Lu, professeure associée d’astronomie à l’UC Berkeley.

En effet, jusqu’à présent, les trous noirs de la taille d’une étoile n’avaient été découverts qu’au sein de systèmes binaires. Dans ce cas, leur présence peut être détectée grâce au rayonnement X — produit lorsque la matière de l’étoile voisine est absorbée par le trou noir —, ou via des détecteurs d’ondes gravitationnelles, produites par la collision de deux trous noirs.

Pour les scientifiques, il est important de déterminer combien de ces objets sombres et compacts se trouvent dans la Voie lactée, afin de mieux comprendre l’évolution des étoiles et de notre galaxie. Les chercheurs espèrent également trouver parmi eux des trous noirs primordiaux — des micro-trous noirs hypothétiques, qui se seraient formés durant le Big Bang.

Dans l’article présentant leur découverte, Lu et ses collaborateurs présentent l’analyse de cinq candidats trous noirs, au total, tous identifiés à partir de relevés de microlentilles gravitationnelles et des données astrométriques du télescope spatial Hubble ; ils ont mesuré la masse et la luminosité de chaque lentille afin de déterminer s’il s’agissait ou non d’un trou noir. Ils affirment que quatre d’entre elles ne sont pas des trous noirs (car leurs masses sont inférieures à 2 masses solaires), dont deux sont probablement des naines blanches ou des étoiles à neutrons.

Près de 200 millions de trous noirs errants dans la galaxie

Le doute persiste pour le cinquième objet, baptisé OB110462. Cette lentille, localisée entre 2280 et 6260 années-lumière, semblait sombre et n’était donc pas une étoile ; l’éclaircissement stellaire a duré près de 300 jours et la distorsion de la position de l’étoile de fond a également duré longtemps, ce qui a particulièrement interpellé Lu et son équipe. « La durée de l’événement d’éclaircissement est un indice de la masse de la lentille d’avant-plan qui déforme la lumière de l’étoile d’arrière-plan », a expliqué Casey Lam, co-auteur de l’étude. Selon lui, environ 40% des événements de microlentillage qui durent plus de 120 jours sont susceptibles d’être des trous noirs.

La durée de l’éclaircissement dépend non seulement de la masse de la lentille d’avant-plan, mais aussi de la vitesse à laquelle cette lentille et l’étoile d’arrière-plan se déplacent l’une par rapport à l’autre. Des observations et des modélisations supplémentaires seront donc nécessaires pour confirmer qu’il s’agit réellement d’un trou noir.

À partir de ces cinq lentilles gravitationnelles, l’équipe a par ailleurs conclu que la population probable des trous noirs isolés dans la galaxie est de 200 millions, ce qui correspond à peu près aux prévisions de la plupart des théoriciens (qui estime que leur abondance est comprise entre 10 millions et 1 milliard).

À savoir qu’une autre équipe, du Space Telescope Science Institute (STScI) de Baltimore, a examiné le même événement de microlentillage, à partir des mêmes données photométriques et astrométriques : elle affirme de son côté que la masse de l’objet est plus proche de 7,1 masses solaires. De ce fait, ces chercheurs pensent qu’il s’agit incontestablement d’un trou noir, qui se trouverait selon eux à environ 5153 années-lumière. Lu et Lam pensent que ces écarts dans les résultats obtenus sont dus au fait que les données astrométriques et photométriques donnent des mesures différentes des mouvements relatifs des objets d’avant-plan et d’arrière-plan.

Les deux équipes ont également estimé la vitesse de l’objet : l’équipe de Lu a trouvé une vitesse inférieure à 30 km/s, tandis que l’équipe du STScI a trouvé une vitesse inhabituellement élevée, 45 km/s, qu’elle a interprétée comme le résultat d’un « coup de pouce » supplémentaire que le prétendu trou noir aurait reçu de la supernova qui l’a généré. À l’inverse, la plus faible vitesse calculée par Lu pourrait soutenir une nouvelle théorie selon laquelle les trous noirs ne seraient pas le résultat de supernovas, mais plutôt de supernovas « ratées ».

Source : C. Lam et al., arXiv