Des astronomes ont découvert un trou noir particulièrement sournois

Il se passe toujours quelque chose de nouveau et d’excitant dans le domaine de la recherche sur les trous noirs.

Albert Einstein a publié pour la première fois son livre expliquant la théorie de la relativité générale – qui postulait les trous noirs – en 1922. Cent ans plus tard, les astronomes ont capturé des images réelles du trou noir au centre de la Voie lactée. Dans un article récent, une équipe d’astronomes décrit une autre nouvelle découverte passionnante : le premier trou noir « dormant » observé en dehors de la galaxie.

Je suis un astrophysicien qui étudie les trous noirs, les objets les plus denses de l’Univers, depuis près de deux décennies. Les trous noirs dormants sont des trous noirs qui n’émettent aucune lumière détectable. Ainsi, ils sont notoirement difficiles à trouver. Cette nouvelle découverte est passionnante car elle donne un aperçu de la formation et de l’évolution des trous noirs. Ces informations sont essentielles pour comprendre les ondes gravitationnelles ainsi que d’autres événements astronomiques.

Qu’est-ce que le VFTS 243 exactement ?

VFTS 243 est un système binaire, ce qui signifie qu’il est composé de deux objets qui orbitent autour d’un centre de masse commun. Le premier objet est une étoile bleue très chaude avec 25 fois la masse du Soleil, et le second est un trou noir neuf fois plus massif que le Soleil. VFTS 243 est situé dans la nébuleuse de la Tarentule dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie satellite de la Voie lactée située à environ 163 000 années-lumière de la Terre.

Le trou noir dans VFTS 243 est considéré comme dormant car il n’émet aucun rayonnement détectable. Ceci est en contraste frappant avec d’autres systèmes binaires dans lesquels des rayons X puissants sont détectés à partir du trou noir.

Le trou noir a un diamètre d’environ 33 miles (54 kilomètres) et est éclipsé par l’étoile énergétique, qui est environ 200 000 fois plus grande. Les deux tournent rapidement autour d’un centre de masse commun. Même avec les télescopes les plus puissants, visuellement, le système semble être un seul point bleu.

Trouver des trous noirs dormants

Les astronomes soupçonnent qu’il existe des centaines de ces systèmes binaires avec des trous noirs qui n’émettent pas de rayons X cachés dans la Voie Lactée et le Grand Nuage de Magellan. Les trous noirs sont plus facilement visibles lorsqu’ils enlèvent la matière d’une étoile compagne, un processus connu sous le nom de « alimentation ».

L’alimentation produit un disque de gaz et de poussière qui entoure le trou noir. Lorsque le matériau du disque tombe vers le trou noir, la friction chauffe le disque d’accrétion à des millions de degrés. Ces disques chauds de matière émettent une énorme quantité de rayons X. Le premier trou noir à être détecté de cette manière est le célèbre système Cygnus X-1.

Les astronomes savent depuis des années que VFTS 243 est un système binaire, mais si le système est une paire d’étoiles ou une danse entre une seule étoile et un trou noir n’était pas clair. Pour déterminer ce qui était vrai, l’équipe qui étudie le binaire a utilisé une technique appelée démêlage spectral. Cette technique sépare la lumière du VFTS 243 en ses longueurs d’onde constitutives, ce qui est similaire à ce qui se passe lorsque la lumière blanche pénètre dans un prisme et que les différentes couleurs sont produites.

Cette analyse a révélé que la lumière de VFTS 243 provenait d’une seule source, et non de deux étoiles distinctes. En l’absence de rayonnement détectable émanant du compagnon de l’étoile, la seule conclusion possible était que le deuxième corps dans le binaire est un trou noir et donc le premier trou noir dormant trouvé en dehors de la galaxie de la Voie lactée.

Dans le système VFTS 243, le compagnon stellaire et le trou noir (qui ne sont pas représentés à l'échelle) orbitent l'un autour de l'autre.  Notez qu'il n'y a pas de disque d'accrétion présent.

Pourquoi le VFTS 243 est-il important ?

La plupart des trous noirs d’une masse inférieure à 100 Soleils sont formés à partir de l’effondrement d’une étoile massive. Lorsque cela se produit, il y a souvent une énorme explosion connue sous le nom de supernova.

Le fait que le trou noir du système VFTS 243 se trouve sur une orbite circulaire avec l’étoile est une preuve solide qu’il n’y a pas eu d’explosion de supernova, qui aurait autrement pu expulser le trou noir du système ou, à tout le moins, perturber l’orbite. Au lieu de cela, il semble que l’étoile progénitrice se soit effondrée directement pour former le trou noir sans explosion.

L’étoile massive du système VFTS 243 ne vivra que 5 millions d’années supplémentaires, un clin d’œil à des échelles de temps astronomiques. La mort de l’étoile devrait entraîner la formation d’un autre trou noir, transformant le système VFTS 243 en un binaire de trou noir.

À ce jour, les astronomes ont détecté près de 100 événements où des trous noirs binaires ont fusionné et produit des ondulations dans l’espace-temps. Mais la façon dont ces systèmes de trous noirs binaires se forment est encore inconnue, c’est pourquoi VFTS 243 et des systèmes similaires encore à découvrir sont si vitaux pour les recherches futures. Peut-être que la nature a le sens de l’humour, car les trous noirs sont les objets les plus sombres qui existent et n’émettent aucune lumière, mais ils éclairent notre compréhension fondamentale de l’Univers.
La conversation

Idan Ginsburg, Faculté académique de physique et d’astronomie, Georgia State University. Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article d’origine.

Image de la liste par ESO/L. Calçada

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