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Un trou noir pourrait être visible avec un télescope d'amateur

Quelques astronomes amateurs passionnés surveillent avec leurs télescopes des étoiles variables. Jusqu’à aujourd’hui, les trous noirs stellaires semblaient devoir échapper à ces instruments modestes puisque leur présence se détecte dans le domaine des rayons X ou gamma. Eh bien ils pourraient le faire... C'est ce que prouve un groupe d’astronomes japonais avec le trou noir V404 Cygni, qui a émis dans le visible en juin 2015.

Le champ de gravitation d'un trou noir déforme fortement l'image du disque d'accrétion chaud et lumineux qui l'entoure. Extraite d'une simulation, cette illustration montre ce que verrait un observateur s'approchant de l'astre compact selon une direction légèrement inclinée au-dessus du disque d'accrétion. La partie du disque située derrière le trou noir semble tordue à 90° et devient visible. Jean-Pierre Luminet a fait la première simulation de ces images en 1979. © Jean-Pierre Luminet, Jean-Alain Marck Le champ de gravitation d'un trou noir déforme fortement l'image du disque d'accrétion chaud et lumineux qui l'entoure. Extraite d'une simulation, cette illustration montre ce que verrait un observateur s'approchant de l'astre compact selon une direction légèrement inclinée au-dessus du disque d'accrétion. La partie du disque située derrière le trou noir semble tordue à 90° et devient visible. Jean-Pierre Luminet a fait la première simulation de ces images en 1979. © Jean-Pierre Luminet, Jean-Alain Marck

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trou noir Jean-Pierre Luminet  Jean-Alain Marck

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Dans le bestiaire des astrophysiciens, nul astre ne fait probablement autant rêver, à l’exception peut-être des exoplanètes habitables, que les trous noirs. On peut en voir pour preuve des films comme Interstellar ou Le Grand Tout. Mais qu’ils soient membres de systèmes binaires ou à l’origine des noyaux actifs de galaxies que sont les quasars, ces objets issus de la physique d’Einstein semblent ne pouvoir être explorés que par les professionnels, ou peu s’en faut. D’un point de vue théorique déjà, la relativité générale et la théorie des trous noirs, développées par des pointures comme Wheeler, Penrose, Bekenstein, Hawking et Chandrasekhar, demandent un certain investissement de travail et quelques années d’études supérieures pour être comprises bien au-delà des livres de vulgarisation.

D’un point de vue expérimental, les trous noirs, bien que nombreux dans la Voie lactée, semblaient se dérober à des observations dans le domaine du visible. Il avait donc fallu attendre les années 1970 et l’essor de l’astronomie spatiale avec des télescopes capables d'observations dans le domaine des rayons X et gamma pour détecter des trous noirs stellaires. Et encore, il ne s’agissait pas des trous noirs eux-mêmes, bien trop froids pour devenir lumineux du fait du rayonnement Hawking, mais des disques d’accrétion qui les entourent.

On a développé la théorie de ces disques d’accrétion dès les années 1960 justement dans l’espoir de détecter des trous noirs dans des systèmes binaires à partir de la matière tombant dedans et qu’ils arrachent à leurs étoiles compagnes. Il se passe des événements forts complexes dans ces disques où intervient la même physique que celle du plasma dans les réacteurs à fusion contrôlée. On cherche à mieux les comprendre et c’est pourquoi des instruments comme Chandra et Swift sont utilisés pour étudier les trous noirs.


Le système binaire V404 Cygni a été observé dans le visible le 23 juin 2015. On peut voir dans le cercle jaune ses fluctuations de luminosité pendant quelques heures. © Michael Richmond, Rochester Institute of Technology, YouTube

L’un d’entre eux a défrayé le chronique l’année dernière, le 15 juin 2015 précisément. Il s’agissait du trou noir stellaire V404 Cygni. Visible dans la constellation Cygne, il a été à plusieurs reprises l’objet le plus brillant du ciel dans le rayonnement X — jusqu’à 50 fois plus brillant que la nébuleuse du Crabe, l’une des sources les plus importantes. Or justement, cette année-là et après 26 ans d’un calme relatif, il a connu un brusque sursaut d’activité durant environ deux semaines avec une émission de rayons X importante provenant de la partie intérieure de son disque d’accrétion chauffée à plus de 10 millions de kelvins.

Des fluctuations de lumière dans le visible corrélées à celles en rayons X

Rappelons que V404 Cygni est, avec son voisin le célèbre Cygnus X-1, l’un des trous noirs les plus proches du Soleil. Il en est tout de même situé à environ 7.800 années-lumière, pour nous dans la constellation du Cygne (actuellement visible dans l'hémisphère nord en début de nuit, bas sur l'horizon). Il contient environ 10 masses solaires et ses forces de marée arrachent de la matière à une étoile compagne dont la masse est de l’ordre de la moitié de celle du Soleil.

Un groupe d’astronomes japonais vient de révéler dans un article publié dans le journal Nature que le dernier soubresaut de V404 Cygni a été étonnant. Des fluctuations dans le domaine visible sur des échelles de temps de 100 secondes à 150 minutes ont été retrouvées également dans le domaine des rayons X prouvant par là qu’il s’agissait d’un phénomène lié au disque d’accrétion du trou noir lui-même. C’est une première. Il semble donc bel et bien que l’on peut aussi observer et étudier l’activité d’un trou noir stellaire dans le visible.

Selon les astrophysiciens, la raison pour laquelle ce phénomène est possible s’explique ultimement parce que V404 Cygni et l’étoile lui tournant autour sont exceptionnellement éloignés. Le disque d’accrétion est donc de plus grande taille qu'à l'ordinaire, même si le flux de matière accrétée est moins important, et sa partie externe est plus froide. Les bouffées plus intenses de rayons X, apparaissant à l'occasion d'instabilités dans le disque ou dans le flux plongeant vers le trou noir, chauffent alors cette partie externe qui n'émet pas intensément dans les X, comme d'habitude, puisqu'elle est moins chaude. Elle se met alors à émettre dans le visible de façon conséquente. Le résultat final est qu’un astronome amateur observant le trou noir avec un télescope de 200 mm de diamètre, précisent les chercheurs japonais, pourrait détecter et étudier les variations de son activité dans ces longueurs d'onde !

On peut penser qu’il s’agit de la pointe émergée d’un iceberg. Peut-être n’est il pas absurde d’imaginer que d’ici quelques années va naître un groupement dédié aux trous noirs semblable à l'AFOEV, l’Association française des observateurs d'étoiles variables, dont les membres, professionnels et amateurs, observent scrupuleusement la luminosité des étoiles variables.

À découvrir en vidéo autour de ce sujet :


Un trou noir est un objet céleste difficile à observer directement. L’intensité de son champ gravitationnel est si intense qu’il empêche en théorie toute forme de matière ou de rayonnement de s’échapper. Peut-il exploser ? C'est la question que Futura-Sciences a posée à Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples.


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