Les « trous noirs voyous » pourraient ne pas être des « voyous » ni des « trous noirs »

Lorsqu’une étoile 20 fois plus massive que notre soleil meurt, elle peut exploser en supernova et redescendre dans un trou noir dense (avec l’aide de la gravité). Mais cette explosion n’est jamais parfaitement symétrique, donc parfois, les trous noirs qui en résultent se précipitent dans l’espace. Ces objets errants sont souvent appelés “trous noirs voyous” car ils flottent librement, sans être attachés à d’autres corps célestes.

Mais ce nom pourrait être un « abus de langage », selon Jessica Lu, professeure agrégée d’astronomie à l’Université de Californie à Berkeley. Elle préfère le terme « flottant librement » pour décrire ces trous noirs. “Rogue”, dit-elle, implique que les nomades sont rares ou inhabituels – ou ne servent à rien.

Ce n’est certainement pas le cas. Les astronomes estiment qu’il y a jusqu’à 100 millions de ces trous noirs qui errent autour de notre galaxie. Mais parce qu’ils sont solitaires, ils sont extrêmement difficiles à trouver. Jusqu’à récemment, ces soi-disant trous noirs voyous n’étaient connus que par la théorie et les calculs.

“Ce sont des fantômes, pour ainsi dire”, dit Lu, qui s’est donné pour mission de trouver les trous noirs flottants de la Voie lactée.

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Plus tôt cette année, deux équipes de chercheurs spatiaux ont révélé séparément des détections de ce qui pourrait bien être l’un de ces trous noirs itinérants. L’une de ces équipes était dirigée par Casey Lam, un étudiant diplômé du laboratoire de Lu. L’autre était dirigée par Kailash C. Sahu, astronome au Space Telescope Science Institute. Les deux équipes ont publié leurs articles sur une revue gratuite en libre accès sans examen par des experts.

Les scientifiques obtiendront plus de données du télescope spatial Hubble en octobre qui, selon Lu, devraient aider à “résoudre le mystère de savoir s’il s’agit d’un trou noir ou d’une étoile à neutrons”. “Il y a encore beaucoup d’incertitude sur la façon dont les étoiles meurent et les restes de fantômes qu’elles laissent derrière elles”, note-t-elle. Lorsque des étoiles beaucoup plus massives que notre soleil manquent de combustible nucléaire, on pense qu’elles s’effondrent en trou noir ou en étoile à neutrons. “Mais nous ne savons pas exactement lesquelles meurent et se transforment en étoiles à neutrons ou meurent et se transforment en trous noirs”, ajoute Lu. « Nous ne savons pas quand un trou noir naît et qu’une étoile meurt, y a-t-il une violente explosion de supernova ? Ou s’effondre-t-il directement dans un trou noir et peut-être juste faire un petit rot ?”

Avec des trucs d’étoiles qui composent tout ce que nous savons dans le monde, comprendre l’au-delà des étoiles est essentiel pour comprendre comment nous sommes devenus nous-mêmes.

Comment repérer un trou noir en liberté

Les trous noirs sont intrinsèquement invisibles. Ils piègent toute la lumière qu’ils rencontrent, donc il n’y a rien à percevoir pour l’œil humain. Les astronomes doivent donc faire preuve de créativité pour détecter ces objets denses et sombres.

En règle générale, ils recherchent des anomalies dans le gaz, la poussière, les étoiles et d’autres matériaux qui pourraient être causés par la gravité extrêmement forte d’un trou noir. Si un trou noir arrache de la matière à un autre corps céleste, le disque de débris résultant qui entoure le trou noir peut être parfaitement visible. (C’est ainsi que les astronomes ont pris la première image directe d’un en 2019 et une image du trou noir au centre de la Voie lactée plus tôt cette année.)

Mais si un trou noir n’inflige pas le chaos avec sa force gravitationnelle, il n’y a presque rien à détecter. C’est souvent le cas avec ces trous noirs en mouvement. Ainsi, les astronomes comme Lu utilisent une autre technique appelée microlentille astrométrique ou gravitationnelle.

“Ce que nous faisons, c’est attendre l’alignement aléatoire de l’un de ces trous noirs flottants et d’une étoile en arrière-plan”, explique Lu. “Lorsque les deux s’alignent, la lumière de l’étoile d’arrière-plan est déformée par la gravité du trou noir [in front of it]† Il apparaît comme un éclaircissement de l’étoile [in the astronomical data]† Cela lui fait aussi faire une petite escapade dans le ciel, une petite oscillation, pour ainsi dire.

L’étoile d’arrière-plan ne bouge pas réellement – elle semble plutôt changer de trajectoire lorsque le trou noir ou un autre objet compact passe devant elle. C’est parce que la gravité du trou noir déforme le tissu de l’espace-temps, selon la théorie générale de la relativité d’Albert Einstein, qui modifie la lumière des étoiles.

Les chances qu’un trou noir itinérant puisse traverser notre voisinage céleste et perturber la vie sur Terre sont “astronomiquement faibles”.

Les astronomes utilisent les microlentilles pour étudier toutes sortes de phénomènes temporaires dans l’univers, des supernovae aux exoplanètes transitant autour de leurs étoiles. Mais c’est délicat à faire avec des télescopes au sol, car l’atmosphère terrestre peut brouiller les images.

« En astrométrie, vous essayez de mesurer très précisément la position de quelque chose et vous avez besoin d’images très nettes », explique Lu. Les astronomes s’appuient donc sur des télescopes dans l’espace, comme Hubble, et sur quelques instruments au sol dotés de systèmes sophistiqués pour s’adapter aux interférences atmosphériques. “Il n’y a vraiment que trois installations dans le monde qui peuvent faire cette mesure astrométrique”, dit Lu. “Nous travaillons à la pointe de ce que notre technologie peut faire aujourd’hui.”

Le premier trou noir voyou ?

C’est cet éclaircissement, ou un “événement de lentille gravitationnelle” comme Lu l’appelle, qu’elle et les équipes de Sahu ont repéré dans les données du télescope spatial Hubble en 2011. Quelque chose, ont-ils supposé, devait passer devant cette étoile.

Déterminer ce qui a causé l’oscillation et le changement d’intensité de la lumière d’une étoile nécessite deux mesures : la luminosité et la position. Les astronomes observent ce même endroit dans le ciel au fil du temps pour voir comment la lumière change lorsque l’objet passe devant l’étoile. Cela leur donne les données dont ils ont besoin pour calculer la masse de cet objet, qui à son tour détermine s’il s’agit d’un trou noir ou d’une étoile à neutrons.

«Nous savons que la chose qui fait la lentille est lourde. Nous savons qu’il est plus lourd que votre étoile typique. Et nous savons qu’il fait sombre », note Lu. “Mais nous sommes encore un peu incertains quant au poids exact et à la noirceur.” S’il n’est qu’un peu lourd, disons une fois et demie la masse de notre soleil, il pourrait en fait s’agir d’une étoile à neutrons. Mais s’il est trois à dix fois plus massif que notre soleil, alors ce serait un trou noir, explique Lu.

Alors que les deux équipes recueillaient des données de 2011 à 2017, leurs analyses ont révélé des masses nettement différentes pour cet objet compact. L’équipe de Sahu a déterminé que l’objet itinérant a une masse sept fois supérieure à celle de notre soleil, ce qui le placerait carrément en territoire de trou noir. Mais l’équipe de Lam et Lu a calculé qu’il était moins massif, quelque part entre 1,6 et 4,4 masses solaires, ce qui couvre les deux possibilités.

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Les astronomes ne peuvent pas être sûrs du calcul correct jusqu’à ce qu’ils aient la chance de savoir à quel point l’étoile d’arrière-plan est normalement brillante et sa position dans le ciel lorsque quelque chose ne passe pas devant elle. Ils n’étaient pas concentrés sur cette étoile avant de remarquer sa luminosité et son oscillation inhabituelles, alors ils ont juste maintenant la chance de faire ces observations de base car l’effet de lentille s’est estompé, explique Lu. Ces observations proviendront de nouvelles données Hubble à l’automne.

Ce qu’ils savent, c’est que l’objet en question se trouve dans le bras spiral Carina-Sagittarius de la galaxie de la Voie lactée et se trouve actuellement à environ 5 000 années-lumière de la Terre. Cette détection suggère également que le trou noir itinérant le plus proche pourrait être à moins de 100 années-lumière, dit Lu. Mais ce n’est pas une raison de s’inquiéter.

« Les trous noirs sont un drain. Si vous vous approchez suffisamment, ils vous consommeront », souligne Lu. “Mais vous devez être très proche, beaucoup plus proche que je pense que nous imaginons généralement.” La limite autour d’un trou noir marquant la ligne où la lumière peut encore échapper à sa gravité, appelée horizon des événements, a généralement un rayon inférieur à 20 milles.

Les chances qu’un trou noir itinérant puisse traverser notre voisinage céleste et perturber la vie sur Terre sont “astronomiquement faibles”, dit Lu. « C’est la taille d’une ville. Ainsi, un trou noir pourrait passer à côté du système solaire et nous le remarquerions à peine.

Mais elle ne l’exclut pas. « Je suis une scientifique », dit-elle. “Je ne peux pas dire aucune chance.”

Que les premières équipes aient détecté un trou noir itinérant ou une étoile à neutrons, dit Lu, “la véritable révolution que ces deux articles montrent est que nous pouvons maintenant trouver ces trous noirs en utilisant une combinaison de mesures de luminosité et de position”. Cela ouvre la porte à la découverte de plus de nomades capturant la lumière, d’autant plus que de nouveaux télescopes sont mis en ligne, notamment l’observatoire Vera C. Rubin actuellement en construction au Chili et le télescope spatial romain Nancy Grace dont le lancement est prévu plus tard cette décennie.

Selon Lu, “le prochain chapitre des études sur les trous noirs dans notre galaxie a déjà commencé”.

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