Image générée par ordinateur des distorsions causées par un trou noir à symétrie sphérique et non chargé (trou noir de Schwarzschild). © Alain Riazuelo, IAP/UPMC/CNRS, CC by-sa 3.0
Sciences

Découverte d'un trou noir à la dérive dans la Voie lactée

ActualitéClassé sous :Astronomie , trou noir , voie lactée

Pour la première fois, un trou noir stellaire isolé -- c'est-à-dire sans compagnon -- a été détecté. Cet objet invisible s'est révélé en produisant une microlentille gravitationnelle.

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[EN VIDÉO] Que se passerait-il si vous tombiez dans un trou noir ?  Les profondeurs des trous noirs sont des espaces de mystère et de fantasme, mais cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas les approcher de manière scientifique. Voyageons donc ensemble aux frontières de la réalité telle que nous la connaissons. 

Entre 10 millions et 1 milliard de trous noirs se cachent dans la Voie lactée. Cependant, détecter ces objets est loin d'être une tâche facile : ils sont invisibles sauf lorsqu'ils piègent de la matière. Néanmoins, invisible ne veut pas dire indétectable. Pour la première fois, une équipe internationale de scientifiques a réussi à détecter un trou noir solitaire et inactif situé à 5.200 ± 600 années-lumière. L'article décrivant leur découverte, soumis à The Astrophysical Journal et en attente d'évaluation par les pairs, est d'ores et déjà disponible en préimpression sur arXiv.

Lentille, sauce trou noir

Même si on ne voit pas un trou noir, sa gravité s'exerce quand même sur son entourage. La lumière passant à proximité se trouve ainsi déviée, ce qui change la position apparente et la brillance (apparente) de la source de cette lumière. Ce phénomène s'appelle une microlentille gravitationnelle. De telles microlentilles permettent de détecter divers objets, aussi bien des étoiles peu lumineuses, des exoplanètes, des « planètes errantes »... Les expériences mises en place pour surveiller le ciel détectent des milliers de tels événements chaque année, la plupart correspondant à des étoiles se déplaçant devant d'autres étoiles.

L'événement détecté le 2 juin 2011 par les programmes néo-zélando-japonais Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) et polonais Optical Gravitational Lensing Experiment (Ogle), qui a culminé le 20 juillet, est cependant différent : « Nous rapportons la première détection sans ambiguïté et la première mesure de masse d'un trou noir de masse stellaire isolé », expliquent dans leur article Kailash Sahu, du Space Telescope Science Institute, et ses collègues. « Nous montrons que la lentille n'émet aucune lumière détectable, ce qui, en plus d'avoir une masse supérieure à ce qui est possible pour une naine blanche ou une étoile à neutrons, confirme sa nature de trou noir ».

Observations de MOA-11-191/OGLE-11-0462 par Hubble de 2011 à 2017. L'étoile source est marquée par une flèche dans l'image de la première époque (en haut à gauche). Lors de celle-ci, le 8 août 2011, l'amplification était d'un facteur ∼12. La déflexion astrométrique maximale s'est produite aux époques 3 et 4, lorsque l'amplification photométrique n'était que d'environ 10 %. En 2017, la source était revenue très près de sa luminosité non amplifiée et de sa position non déviée. © Sahu et al., 2022

Cet événement, désigné MOA-2011-BLG-191/OGLE-2011-BLG-0462 (en abrégé MOA-11-191/OGLE-11-0462), est remarquable : non seulement, il fut inhabituellement long, durant environ 270 jours, mais il a également montré une amplification étonnamment élevée. Étant donné que les événements à forte amplification sont sensibles aux perturbations, comme celles qui pourraient être produites par une planète en orbite autour de l'objet qui fait lentille, les scientifiques ont convergé pour prendre des observations de suivi et effectuer des analyses.

Un trou noir en fuite

Des observations de la région à l'aide du télescope spatial Hubble, réparties à huit époques étalées sur six ans, ont permis à Sahu et son équipe de constater que le meilleur modèle pour les données était un trou noir de 7,1 ± 1,3 masses solaires. Son horizon des événements aurait, de ce fait, un diamètre de seulement 42 kilomètres. Les scientifiques ont ainsi détecté un objet invisible, moitié moins large que la Corse, à un peu plus de 5.000 années-lumière.

Par ailleurs, l'équipe a pu calculer la vitesse à laquelle cet objet se déplace dans la Voie lactée : 45 kilomètres par seconde. Cela en fait non seulement un vieux trou noir, mais un trou noir en fuite. Il a probablement été éjecté dans l'espace lorsque son étoile progénitrice a explosé en supernova. Si une telle explosion de supernova est asymétrique, la force inégale peut projeter le noyau effondré de l'étoile dans l'espace. La naine blanche LP 40-365 et le pulsar PSR J0002+6216 sont deux autres exemples d'objets dans ce cas. D'après une étude de 2019, des millions de trous noirs pourraient être dans ce cas dans la Voie lactée.

Il est possible que l'objet dérive à travers une région de l'espace à haute densité. Selon les chercheurs, les travaux futurs pourraient impliquer l'utilisation de télescopes à rayons X, pour déterminer si le trou noir putatif accrète de la matière du milieu interstellaire qui l'entoure. Les futurs instruments pourraient également détecter d'autres trous noirs de masse stellaire isolés. Une fois que toute une population aura été découverte et étudiée, ces données pourront être utilisées pour en savoir plus sur MOA-11-191/OGLE-11-0462 et les trous noirs qui habitent la Voie lactée en général.

  • En 2011, un événement de microlentille inhabituellement long et avec une amplification inhabituellement élevée a été détecté.
  • Cet événement a été produit par un trou noir isolé d'environ 7 masses solaires à 5.200 années-lumière.
  • De futures recherches pourraient détecter de nombreux autres trous noirs analogues qui existent probablement par millions rien que dans la Voie lactée.
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