Cette vue d'artiste illustre l'hypothèse de l'existence d'un trou noir intermédiaire dans un nuage moléculaire proche du centre de la Voie lactée. Il s'agit d'un clin d'œil au film Interstellar car on voit clairement, en bas à gauche, une représentation de ce trou noir sous la forme de celle utilisée dans le film. Cette représentation est cependant partiellement inexacte. © Tomoharu Oka, Keio University

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Voie lactée : un autre trou noir géant au cœur de notre galaxie ?

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Laurent Sacco, Futura-Sciences

L’existence d’un trou noir supermassif au sein de notre galaxie, la Voie lactée, fut admise au début des années 2000, grâce à l'étude des orbites de certaines étoiles. Selon des astronomes japonais, un autre astre compact l’accompagnerait probablement, à seulement 200 années-lumière. Il s'agirait d'un trou noir dit de masse intermédiaire.

Interview : un trou noir pourrait-il entrer en collision avec la Terre ?  Un trou noir est une région de l’espace dont rien ne peut s'échapper, pas même la lumière. Il est donc naturel de se demander si ce type d’objet pourrait être une menace pour notre planète. Futura-Sciences a interviewé Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, qui nous répond ici en vidéo. 

Si l'on en croit un groupe d'astronomes japonais venant de déposer un article sur arXiv, les héros du film Le Grand Toutauraient peut-être pu apercevoir, non loin du trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée, un autre astre compact relevant de la physique d'Einstein. En effet, il y a déjà quelques années, Tomoharu Oka et ses collègues avaient déjà effectué d'étonnantes observations avec l'Atacama Submillimeter Telescope Experiment (Aste), une antenne-télescope millimétrique de 10 m de diamètre installée dans le désert d'Atacama, au Chili - elle a servi de prototype pour la construction de l'Atacama Large Millimeter Array (Alma).

Tout comme l'antenne de 45 m de diamètre située à Nobeyama, au Japon, qui a également été utilisée dans le cadre de leur dernière étude, Aste est un radiotélescope permettant d'étudier les émissions dans le domaine radiomillimétrique, notamment des molécules de monoxyde de carbone CO. Ces molécules sont des traceurs de la présence des nuages moléculaires géants composés de dihydrogène et donnent aussi des indications sur leur état. Puisque l'hydrogène, sous forme atomique, est très minoritaire dans ces nuages, il est impossible de détecter ces molécules à grande distance avec la fameuse raie à 21 cm. Cependant, les molécules de H2, en entrant en collision avec les molécules de CO, leur transfèrent de l'énergie qu'elles émettent par la suite sous forme d'ondes radio détectables au loin dans la Voie lactée. Surtout, ces ondes peuvent traverser les nuages de poussière qui cachent bon nombre d'étoiles présentes vers le centre de la Galaxie.

Les chercheurs avaient donc découvert, grâce à ces molécules, que des nuages massifs existaient non loin de ce centre. Ils en avaient même déduit que de tels nuages pouvaient peut-être donner naissance à des trous noirs intermédiaires. La masse de ces objets se situe entre celle des trous noirs stellaires (quelques dizaines de masses solaires tout au plus) et celle des trous noirs supermassifs (quelques millions à quelques milliards de masses solaires). Les trous noirs intermédiaires, dont l'hypothèse de l'existence est soutenue par quelques rares observations, sont potentiellement importants pour résoudre une énigme en astrophysique, celle de l'origine des trous noirs supermassifs.

L'énigme des trous noirs supermassifs

L'origine des trous noirs stellaires ne fait pas de doute : ils se forment à partir de l'explosion d'étoiles contenant initialement au moins 30 masses solaires. Il est en revanche plus difficile de rendre compte de la naissance d'un trou noir de 4 millions de masses solaires comme Sagittarius A*, situé au centre de notre galaxie. Comme la masse des trous noirs supermassifs est corrélée à celle des galaxies les hébergeant, il semble clair que ces deux types d'objets astronomiques évoluent de concert. Cela laisse penser que, lors des collisions accompagnées de fusions entre les galaxies, les trous noirs massifs de ces dernières coalescent aussi en émettant notamment des ondes gravitationnelles que certains se préparent à observer.

L'image de gauche montre le centre de la Voie lactée tel qu'il apparaît observé à des longueurs d'onde correspondant à celles des émissions des molécules de monoxyde de carbone (CO). Les régions les plus denses sont en blanc, marquant la présence d'un trou noir supermassif – c'est là que se trouve Sgr A*. La barre jaune donne l'échelle des distances en parsecs ce qui, dans le cas présent, correspond à 326 années-lumière. L'image de droite montre des émissions de la molécule de HCN qui trahissent la présence de coquilles (shell, en anglais sur l'image) de gaz contenant cette molécule. L'une d'elle subit l'influence du champ de gravitation d'un nuage baptisé CO-0.40-0.22. © Tomoharu Oka, Keio University

Ce scénario est plausible car il existe des galaxies contenant deux trous noirs supermassifs et qui semblent être le résultat d'une fusion récente. L'existence de trous noirs intermédiaires a donc été postulée. Leurs masses seraient comprises entre quelques centaines et quelques centaines de milliers de masses solaires et ils serviraient de graines pour la naissance des trous noirs supermassifs. Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer la formation de ces graines mais il n'existait pas, jusqu'à présent, d'observations solides permettant de contraindre ces scénarios.

Un trou noir intermédiaire trahi par l'effet Doppler ?

Eh bien justement, Tomoharu Oka et ses collègues sont arrivés à la conclusion que le nuage moléculaire baptisé CO-0.40-0.22 (qu'ils étudient avec les radiotélescopes Aste et de Nobeyama et qui se trouve à seulement 200 années-lumière environ du centre de notre galaxie), pourrait bel et bien envelopper un tel trou noir intermédiaire.

Les astrophysiciens ont en effet mesuré des vitesses anormales pour les molécules dans ce nuage. Les raies d'émission de 18 molécules différentes présentent des décalages très variés causés par l'effet Doppler, ce qui trahit une dispersion anormalement large des valeurs de ces vitesses. Pour reproduire ces vitesses à l'aide d'un modèle sur ordinateur, il a fallu postuler l'existence dans CO-0.40-0.22 d'un astre qui contiendrait environ 100.000 masses solaires dans une région dont la taille est de 0,6 années-lumière.

Compte tenu de ces chiffres, il semble impossible, selon les chercheurs, de ne pas postuler la présence d'un objet compact qui soit un trou noir. Ils reconnaissent toutefois qu'aucune émission dans l'infrarouge ou dans le domaine des rayons X n'a été détectée alors que l'on pourrait s'y attendre avec un trou noir. Cela n'est pas forcément rédhibitoire car il pourrait exister plusieurs millions de trous noirs dans la Voie lactée et une dizaine d'entre eux seulement ont été repérés, ce qui laisse penser que, pour plusieurs raisons, ces astres se signalent difficilement par des accrétions de matière. Ces dernières seraient donc généralement peu importantes.

En tout état de cause, si CO-0.40-0.22 contient vraiment un trou noir, il semble maintenant possible d'en détecter d'autres dans des régions obscures de la Voie lactée en utilisant des radiotélescopes.

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