L'effet de lentille gravitationnelle produit par un trou noir est nettement visible sur cette image de synthèse réaliste. © Alain Riazuelo

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100 millions de trous noirs sont-ils cachés dans la Voie lactée ?

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Le plus souvent, les trous noirs stellaires sont repérés par la détection des rayons X émis par la matière chauffée dans un éventuel disque d'accrétion. Il est donc difficile d'estimer leur nombre dans la Galaxie si beaucoup d'entre eux n'émettent qu'un faible rayonnement ou pas du tout. La découverte avec Ligo d'un système binaire formé de deux trous noirs stellaires laisse penser que ces astres compacts pourraient exister par dizaines de millions dans la Voie lactée.

La découverte de fusion de trous noirs binaires grâce à Ligo, qui a repéré la bouffée d'ondes gravitationnelles ainsi produite, a surpris les astrophysiciens en raison des masses énormes de ces deux astres compacts : environ 30 masses solaires chacun. On s'attendait à surprendre d'abord plutôt des collisions d'étoiles à neutrons ou, au mieux, des fusions de trous noirs stellaires de quelques masses solaires car ceux qui sont connus par leurs émissions de rayons X dans la Voie lactée possèdent des masses de cet ordre de grandeur.

Les données de Ligo semblent donc impliquer que les trous noirs sont plus abondants qu'on ne l'imaginait et que les populations de trous noirs de plus de quelques dizaines de masses stellaires sont plus importantes que prévu. Cela nécessite des explications et certains chercheurs ont rapidement proposé que ces populations puissent ne pas provenir de l'effondrement gravitationnel d'étoiles massives en fin de vie. Elles seraient alors des vestiges des trous noirs primordiaux qui pourraient être nés pendant le Big Bang. Elles pourraient en outre constituer une large part de l'énigmatique matière noire.

Le champ de gravitation d'un trou noir stellaire entouré d'un disque d'accrétion chaud et lumineux déforme fortement l'image de ce disque. On peut s'en rendre compte avec cette image, extraite d'une simulation de 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

Un trou noir pour trois mille étoiles dans la Voie lactée ?

L'étonnement des chercheurs s'explique. Les modèles prédisent, jusqu'à un certain point, les taux de formation d'étoiles dans les galaxies et les relient à la masse de ces étoiles et, finalement, aux âges et aux masses des galaxies elles-mêmes. Il faut notamment tenir compte de l'évolution chimique des galaxies causées par les explosions des supernovae qui enrichissent le milieu interstellaire en éléments lourds, lequel peut alors engendrer une nouvelle génération d'étoiles. Or, la théorie stellaire nous dit que plus une étoile contient d'éléments lourds, plus elle éjectera de matière lors de son existence, sous forme de vents stellaires, et plus il sera difficile pour elle de former un trou noir massif en explosant en supernovae. On estime qu'en général, une étoile doit être au moins 30 fois plus massive que le Soleil pour avoir une bonne chance de finir sa vie en trou noir.

Une équipe de chercheurs de l'université de Californie à Irvine vient de nourrir les modèles de formation stellaire avec les nouvelles contraintes fournies par Ligo, comme elle l'explique dans un article déposé sur arXiv. Il est possible de rendre compte des observations de Ligo sans faire une hypothèse aussi exotique que celle des trous noirs primordiaux dont l'existence repose ultimement sur des phénomènes de gravitation quantique dans le cosmos très primordial.

Les astrophysiciens états-uniens sont alors arrivés à une conclusion stupéfiante : il pourrait exister jusqu'à une centaine de millions de trous noirs dans une galaxie comme la Voie lactée, qui compte environ 300 milliards d'étoiles. On peut d'ailleurs construire des répartitions des quantités moyennes de trous noirs d'une masse supérieure à une valeur donnée, quantités qui dépendent elles-mêmes de la masse des galaxies considérées. Plus une galaxie est massive plus elle posséderait de trous noirs de masses supérieures à dix fois celle du Soleil. Ils seraient difficiles à détecter car, pour la plupart, ils n'accréteraient pas suffisamment de matière pour briller en rayons X.

Selon les chercheurs, leur théorie aboutit à une conclusion testable. Ligo et Virgo devraient détecter des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs dont les masses sont d'environ 50 masses solaires d'ici quelques années tout au plus.

Pour en savoir plus

Un million de trous noirs sont-ils cachés dans la Voie lactée ?

Article de Laurent Sacco publié le 03/07/2016

Les trous noirs stellaires ne sont détectables que lorsqu'ils sont entourés d'un disque d'accrétion où la matière chauffe au point d'émettre des rayons X. Il est donc difficile d'estimer le nombre de ces objets dans la Galaxie si une large partie d'entre eux n'émettent pas ou peu. La découverte d'un système binaire contenant un trou noir presque invisible laisse penser que ces astres compacts pourraient exister par millions dans la Voie lactée.

Au début des années 1960, les trous noirs en relativité générale étaient encore des curiosités théoriques découlant des travaux d'Oppenheimer et Chandrasekhar que peu de théoriciens, et encore moins d'astronomes, prenaient au sérieux. Même le grand John Wheeler à qui l'on doit tant sur ces objets ne croyait par à leur existence à la fin des années 1950. On sait depuis la fin du siècle dernier que les trous noirs abondent dans l'univers observable. Récemment, l'instrument Ligo a même détecté les ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux de ces astres compacts formant un système binaire.

Toutefois, la détection des trous noirs n'a rien d'évident pour la simple raison qu'ils sont... noirs. Ils n'émettent pas de lumière directement comme les étoiles, sauf lorsqu'ils sont suffisamment petits pour s'évaporer rapidement par rayonnement de Hawking. Ce n'est que lorsqu'ils accrètent de grandes quantités de matière, par exemple lorsque que l'enveloppe d'une étoile s'est dilatée jusqu'à atteindre les limites du lobe de Roche du système binaire qu'elle forme avec un trou noir, qu'un rayonnement suffisamment intense, notamment dans le domaine des rayons X, trahit avec une signature particulière la présence d'un trou noir.

En fait, les premiers trous noirs détectés, mais on ne le savait pas à l'époque, étaient des quasars et ils l'ont été grâce à la radioastronomie. Il s'agissait donc de trous noirs supermassifs dont les masses sont de quelques millions à quelques milliards de fois celle du Soleil. Les trous noirs stellaires n'ont été détectés qu'ensuite, grâce à l'essor de l'astronomie X dans les années 1970. Si l'on observe désormais de très nombreux trous noirs supermassifs au cœur des galaxies, et il y en a même un au centre de la Voie lactée, on ne connaît qu'une douzaine de candidats sérieux dans notre Galaxie, le plus célèbre étant Cygnus X1. On pense que la majorité des trous noirs stellaires de la Voie lactée nous sont encore inconnus. Certains estiment qu'il pourrait y en avoir une centaine de millions.

Les trous noirs sont parmi les objets les plus opaques de l'univers. Heureusement, ils sont cependant parmi les plus attractifs, et c'est par leur pouvoir d'attraction démesuré que nous pouvons les détecter. Les trous noirs géants sont les ogres les plus monstrueux du zoo cosmique, mais ils ne sont pas des armes de destruction massive. Les jets de matière qu'ils produisent auraient contribué à allumer les premières étoiles et à former les premières galaxies. Hubert Reeves et Jean-Pierre Luminet, spécialistes en cosmologie contemporaine, répondent à toutes vos questions. Pour en savoir plus, visitez dubigbangauvivant.com. © Groupe ECP, YouTube

Un trou noir en couple avec une étoile naine hors du disque galactique

Une récente publication sur arXiv va effectivement dans le sens d'une large population de ces astres compacts qui resteraient plus ou moins cachés dans notre Galaxie. En combinant les observations dans le domaine des rayons X réalisées avec Chandra, dans le domaine du visible avec Hubble et enfin dans le domaine des ondes radio avec plusieurs radiotélescopes, dont le VLA (Very Large Array), ceux d'Arecibo et de Green Bank, les chercheurs ont eu droit à une surprise, offerte par la source baptisée VLA J2130+12.

Détectée il y a une vingtaine d'années au voisinage d'un amas globulaire sur la voûte céleste du nom de M15, elle semblait être l'émission radio d'une lointaine galaxie. Il apparaît maintenant qu'il s'agit en réalité d'un système binaire contenant un trou noir stellaire situé à environ 7.200 années-lumière. Mais, accrétant peu de matière, il serait très peu lumineux dans le domaine des rayons X et donc quasiment indétectable. Il en émettrait tout de même suffisamment pour que l'étude de son spectre permette de conclure à l'existence d'un trou noir et pas d'une étoile à neutrons ou d'une naine blanche accrétant elle aussi de la matière. D'après les observations d'Hubble, la matière tombant sur le trou noir proviendrait d'une étoile dont la masse serait de un dixième à un cinquième de la masse du Soleil.

L'information n'est pas spectaculaire en soi. Ce qui l'est c'est ce qu'elle signifie indirectement. Bien qu'un peu en dehors du disque galactique, ce système binaire y est probablement né. Sa détection provenant d'un programme d'étude d'une petite portion de la voûte céleste, cela implique statistiquement qu'il devrait exister bien d'autres systèmes binaires de ce genre très peu lumineux dans le domaine des rayons X.

Selon les chercheurs, cela impliquerait que des dizaines de milliers voire des millions de trous noirs de ce type existeraient dans la Voie lactée, soit de trois à des milliers de fois plus que ce que l'on imaginait à partir des études précédentes.

  • Il semblait bien que la majorité des trous noirs dans les galaxies passent inaperçus parce qu'ils ne rayonnent pas suffisamment en rayons X.
  • Les modèles de formation d'étoiles, des galaxies, et finalement des trous noirs stellaires, permettent d'estimer ce nombre en se basant sur certaines observations. La détection d'ondes gravitationnelles confirme ce soupçon, laissant penser que la Voie lactée pourrait contenir jusqu'à cent millions de trous noirs, et permettant au passage de se passer d'hypothèses exotiques.
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