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 ressemblant à celle utilisée dans le film. Cette représentation est cependant partiellement inexacte. © Tomoharu Oka, Keio University

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Voie lactée : il y aurait bien un second trou noir géant au cœur de notre galaxie

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Le radiotélescope européen Alma a fourni des observations consolidant l'hypothèse de l'existence d'un trou noir intermédiaire de 100.000 masses solaires non loin du trou noir supermassif de notre Galaxie. Celui-ci aurait été au cœur d'une galaxie naine avalée par la Voie lactée.

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. 

D'abord considérés comme des objets théoriques bien trop exotiques pour être pris au sérieux au début des années 1960, les trous noirs sont devenus finalement des stars de l'astrophysique. Ils ont été observés partout dans les galaxies, notamment sous forme de trous noirs supermassifs alimentant les quasars. Mais, si les chercheurs comprennent la naissance des trous noirs stellaires à partir de l'effondrement d'étoiles géantes, il n'en est pas de même avec les trous noirs galactiques contenant quelques millions à quelques milliards de masses solaires.

Un des scénarios pour expliquer la présence de ces derniers suppose l'existence de trous noirs dit « intermédiaires » (leur masse serait comprise entre 100 et un million de masses solaires). La naissance de ces trous noirs intermédiaires est énigmatique, mais il est tout de même possible de faire intervenir, par exemple, l'existence d'étoiles supermassives. Surtout, les chercheurs supposent que ces trous noirs intermédiaires se trouvent dans des amas globulaires et dans des galaxies naines. Les observations ne sont pas très concluantes à cet égard, bien que quelques candidats aient déjà été repérés, notamment dans le domaine des rayons X, avec Chandra.

Mais quel rapport entre les trous noirs intermédiaires et les trous noirs supermassifs ? En fait, les galaxies peuvent interagir gravitationnellement, et ce jusqu'à fusionner. La formation des grandes galaxies s'explique d'ailleurs, au moins partiellement, par des fusions de galaxies naines, un phénomène observé dans le cosmos. Celui-ci s'accompagnerait également de la fusion des trous noirs géants que ces galaxies contiennent, ce qui devrait générer des flashs colossaux d'ondes gravitationnelles, flashs que le détecteur eLisa devrait mettre en évidence.

Une présentation d'Alma. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Aerospace Engineering

Un trou noir intermédiaire avalé par la Voie lactée

Par chance pour les théoriciens cherchant à valider ce scénario de la naissance des trous noirs supermassifs, il semble de plus en plus crédible que notre propre Voie lactée contienne justement un trou noir intermédiaire qui, de plus, n'est pas très loin de notre trou noir supermassif central. Comme Futura l'avait expliqué dans un précédent article (voir ci-dessous), l'astronome japonais Tomoharu Oka, de l'université Keio, à Yokohama (Japon), avait déjà avancé l'existence d'un trou noir de probablement 100.000 masses solaires, caché dans un nuage de gaz moléculaire du nom de CO-0.40-0.22, à seulement 200 années-lumière de Sgr A*.

Avec ses collègues, Tomoharu Oka vient d'apporter des nouvelles preuves de l'existence de ce trou noir intermédiaire. Comme les astrophysiciens l'expliquent dans un article déposé sur arXiv, ils se sont notamment servis pour cela des données fournies par l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, le radiotélescope de l'ESO, bien connu sous le nom d'Alma.

Les images d'Alma ont en particulier montré, au cœur de CO-0.40-0.22, une zone plus dense, où les vitesses des gaz tracent le potentiel de gravitation et trahissent, tout comme l'ont fait les mouvements des étoiles autour de Sgr A*, l'existence d'un objet particulièrement massif et compact. En bonus, Alma a également révélé, tout près de ce cœur, l'existence d'une source radio dont les caractéristiques spectrales sont proches de celles associées aux émissions similaires de notre trou noir supermassif (lequel contient environ 4 millions de masses solaires). Si CO-0.40-0.22 contient bien un trou noir intermédiaire, il pourrait donc s'agir des restes d'une galaxie avalée par la Voie lactée. Le même destin pourrait bien attendre le Grand Nuage de Magellan.

Pour en savoir plus

Un autre trou noir géant au cœur de notre galaxie ?

Article de Laurent Sacco publié le 19/01/2016

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.

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.

  • Les trous noirs supermassifs des galaxies, qui contiennent quelques millions à quelques milliards de masses solaires, se seraient formés, en partie du moins, au cours de fusions successives de trous noirs qui n'étaient, au début, que des trous noirs dits « de masses intermédiaires » (entre 100 et un million de masses solaires).
  • Grâce à Alma, des astrophysiciens pensent avoir trouvé un nouveau candidat au titre de trou noir intermédiaire (ils sont rares) en mesurant les vitesses des gaz dans le nuage moléculaire CO-0.40-0.22. Ce nuage, tout proche du trou noir supermassif de la Voie lactée, contiendrait un trou noir de 100.000 masses solaires.