Ce trou noir pourrait être le plus proche de la Terre jamais découvert

Quelle taille minimale pourrait avoir un trou noir ? Pendant des décennies, les astronomes ont cherché à répondre à cette question en recensant les trous noirs aux extrémités de notre univers.

Au fil du temps, ils en ont trouvé une multitude, de taille moyenne ou grande. Ils ont notamment découvert un véritable monstre supermassif au centre de notre galaxie. Toutefois, jusqu’à il y a peu, ils n’avaient jamais repéré de petits trous noirs, un véritable mystère astrophysique depuis de nombreuses années.

Mais voilà, les astronomes ont découvert un trou noir dont la masse n’équivaut qu’à trois fois celle du Soleil, ce qui en fait le plus petit connu à ce jour. Il s’avère aussi être le trou noir le plus proche de la Terre, à tout juste 1 500 années-lumière.     

Cette découverte « signifie que, si nous augmentons le volume de l’espace que nous explorons, de nombreux autres [petits trous noirs] pourraient être découverts », explique Tharindu Jayasinghe, astronome à l’université d’État de l’Ohio et auteur principal de la nouvelle étude publiée dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. La nouvelle « devrait donner l’impulsion pour dénicher ces nouveaux systèmes ».

Jayasinghe et ses collègues ont surnommé cet objet « la Licorne », d’une part car il est unique, et d’autre part car il se trouve dans la constellation homonyme. Grâce à l’étude de ce trou noir et des autres objets célestes qui lui sont semblables, les chercheurs espèrent mieux comprendre ce qu’il advient des étoiles après leur dernier souffle. Ils aimeraient saisir pourquoi certaines étoiles s’effondrent pour devenir un trou noir tandis que d’autres forment une enveloppe stellaire dense que l’on appelle étoile à neutrons.

EN QUÊTE D’UN OBJET INVISIBLE

Puisque les trous noirs ne laissent échapper aucune lumière, ils ne peuvent être détectés que par des moyens indirects. La plupart des trous noirs connus ont été révélés grâce aux rayons X qu’ils émettent lorsqu’ils attirent la matière de l’étoile qui orbite à proximité. À mesure que la matière monte en température et forme un anneau dense autour du trou noir, que l’on appelle disque d’accrétion, elle émet des radiations décelables avec un télescope à rayons X.

La Licorne, quant à elle, a été repérée grâce à une méthode différente. L’équipe de Jayasinghe s’est servi des données recueillies par de nombreux observatoires afin de mesurer les changements périodiques de la luminosité et du spectre lumineux provenant de la géante rouge V723 Mon. Ce type d’observation est utilisé depuis des années pour la recherche d’exoplanètes, très difficiles à repérer.

Ainsi, l’équipe a pu déduire qu’un objet invisible exerçait une force d’attraction sur la géante rouge. Cette dernière, déformée, avait la forme d’une goutte d’eau. Les données permettent de déterminer la masse combinée des deux objets. Si l’étoile est plus massive que les prévisions de l’équipe, il est possible que l’objet invisible soit une étoile à neutrons. Néanmoins, les chercheurs estiment qu’il est plus probable que ce compagnon soit un trou noir.

Bien que la Licorne modifie la forme de la géante rouge, elle ne lui arrache pas de matière. Par conséquent, il n’existe pas de disque d’accrétion et donc pas de rayons X. C’est la raison pour laquelle l’objet était indétectable jusqu’alors. L’absence d’émission de rayons X de ces trous noirs « silencieux » pourrait expliquer pourquoi si peu de petits trous noirs ont été découverts jusqu’à maintenant.

L’univers semble regorger de trous noirs dont la masse excède cinq fois celle du Soleil. Au-dessous de ce chiffre, ils semblent être peu nombreux. Pour les astronomes, les petits trous noirs pourraient expliquer certains déficits de masse de notre univers.

COMBLER LE DÉFICIT

Avant la découverte de la Licorne, les chercheurs ont pensé que d’autres trous noirs pouvaient être à l’origine de déficits de masse. En 2019, la même équipe a annoncé avoir découvert un objet sombre orbitant autour d’une étoile géante. Toutefois, les estimations de la masse de l’objet étaient moins précises. Ils ont seulement pu conclure qu’il s’agissait d’un trou noir ou alors d’une étoile à neutrons massive.

L’année dernière, une autre équipe d’astronomes a repéré ce qu’ils pensaient être un système triple à près de 1 100 années-lumière de la Terre. Ils estimaient qu’il contenait un trou noir dont la masse atteignait près de quatre fois celle du Soleil, avec deux étoiles à proximité. Si ce système abrite bel et bien un trou noir, il serait alors le plus proche de la Terre jamais découvert. Seulement, une autre étude a depuis remis en cause cette hypothèse.

D’autres résultats fascinants ont été obtenus grâce à des détecteurs d’ondes gravitationnelles tels que le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, abrégé LIGO. En 2019, les astronomes ont pu observer un signal d’ondes gravitationnelles surnommé GW190814, provoquées par une collision entre deux objets. La masse d’un des deux éléments était tout juste de 2,6 masses solaires. De fait, il pourrait s’agir d’une étoile à neutrons extrêmement massive ou du plus faible trou noir jamais connu. En outre, on pense que la fusion de deux étoiles à neutrons, qui a donné lieu à un signal d’ondes gravitationnelles observé en 2017, aurait créé un trou noir dont la masse n’atteignait que 2,8 masses solaires.

Les objets détectés grâce aux ondes gravitationnelles sont, malheureusement, difficiles à étudier sur le long terme. Généralement, ils se trouvent très loin de notre galaxie. De fait, les astronomes ne peuvent les étudier que lorsqu’ils émettent un bref signal d’ondes gravitationnelles, après quoi ils deviennent hors de portée pour toujours.

La Licorne, elle, se trouve au sein de notre galaxie et pourra ainsi être examinée pour les années à venir. « Le fait que son compagnon soit une géante rouge et qu’elle soit proche rend l’observation plus précise et plus fiable », déclare Vicky Kalogera, astronome à l’université Northwestern mais qui n’a pas pris part à la nouvelle étude.

UN EFFONDREMENT DANS L’ESPACE-TEMPS

Les astronomes espèrent que la Licorne et les objets célestes similaires apporteront des précisions sur les principes physiques qui régissent la formation des trous noirs et des étoiles à neutrons. Ces deux objets se forment lorsqu’une étoile, en fin de vie, a épuisé tout son combustible nucléaire. Le sort de chaque étoile dépend toutefois de sa masse.

Si elle est un peu plus massive que notre Soleil, elle explose en surpernova. La gravité comprime le reste de l’étoile et donne naissance à une étoile à neutrons. La densité de cet objet atteint celle d’un noyau atomique.

En revanche, si l’étoile est beaucoup plus massive, elle s’effondre sous la force gravitationnelle et se transforme en trou noir. Même si l’étoile est âgée de dizaines de millions d’années, ses dernières heures filent à la vitesse de l’éclair.

« En l’espace d’une à cinq secondes, l’étoile décide si elle explose en supernova et donne lieu à une étoile à neutrons ou si elle s’effondre et donne naissance à un trou noir », explique Todd Thompson, astronome à l’université d’État de l’Ohio et coauteur de l’étude sur la Licorne. « Il existe aussi un cas intermédiaire, où elle explose juste un petit peu mais où sa matière retombe et forme un trou noir. Tous ces [éléments] se décident en très peu de temps. »

Toutefois, les chercheurs doivent faire face à un problème de taille. Il est impossible d’étudier directement ces phénomènes physiques. « Nous ne comprenons pas encore totalement comment la matière se comporte à des densités nucléaires », explique Kalogera. « C’est là tout le défi de l’astronomie. Nous ne pouvons pas recréer ces densités en laboratoire. »

Les plus petits trous noirs, comme la Licorne, pourraient aider les scientifiques à résoudre le casse-tête du cosmos.

Ils pourraient en avoir une image plus précise lorsque l’Agence spatiale européenne dévoilera davantage de données récoltées grâce au satellite Gaia. Cette mission a pour but de cartographier la position des étoiles avec précision, ce qui pourrait peut-être faire apparaître d’autres petits trous noirs extirpant de la matière de leur étoile compagnon.

Les astronomes attendent également avec impatience les prochaines données du programme Sloan Digital Sky Survey. Grâce à un télescope basé au Nouveau-Mexique, les chercheurs obtiennent un aperçu détaillé de millions d’objets célestes, ce qui pourrait révéler la distorsion des étoiles provoquée par un compagnon invisible. Des petits trous noirs pourront aussi être découverts grâce à l’observatoire Vera-C.-Rubin, actuellement en construction au Chili.

À mesure que de nouvelles données seront mises à disposition, les astronomes espèrent comprendre si cette absence de petits trous noirs témoigne d’un nouvel aspect de la physique stellaire ou s’ils sont en réalité disséminés dans toute la galaxie, sans jamais avoir été détectés auparavant.

Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.