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Oui, les trous noirs de masse intermédiaire existent !

ActualitéClassé sous :Astronomie , trou noir , XMM-Newton

On les cherchait depuis longtemps et bien que quelques candidats aient déjà été repérés, l'existence de trous noirs de masses intermédiaires entre celle d'une étoile et celle d'un trou noir galactique, dépassant le million de masses solaires, n'était toujours pas démontrée. Un groupe d'astronomes, dont des chercheurs du Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements de Toulouse, a débusqué ce qui semble en être la preuve la plus sérieuse : une source X autour de la galaxie ESO 243-49.

Représentation artistique de la source X, nommée HLX-1 (point lumineux bleu en haut à gauche du bulbe galactique). Elle est située dans la périphérie de la galaxie spirale ESO 243-49. HLX-1 est le candidat le plus solide détecté à ce jour, appartenant à la classe, si longtemps recherchée des trous noirs de masse intermédiaire. Crédit : Insu/Heidi Sagerud

Pendant des dizaines d'années, les travaux de théoriciens, de l'envergure de Chandrasekhar et Oppenheimer, sur le destin ultime des étoiles ayant épuisé leur carburant thermonucléaire et dont la masse dépassait plusieurs fois celle du Soleil faisait l'objet d'un scepticisme poli de la part de leurs collègues. Même le grand John Wheeler, à qui l'on doit pourtant l'expression « trou noir », ne croyait pas à leur existence. Ce n'est qu'au début des années 1960 que la situation s'est renversée.

Aujourd'hui les trous noirs sont omniprésents non seulement en astrophysique mais aussi en cosmologie et même en physique des particules élémentaires. On en connaît même au centre des galaxies. Mais le bestiaire diversifié de ces astres reste énigmatique. On comprend bien comment des trous noirs de quelques masses solaires à quelques dizaines de masses solaires peuvent se former à la fin de la vie d'étoiles très massives qui explosent en supernovae. En revanche, on ne comprend pas bien comment des trous noirs géants dont les masses vont de quelques millions à quelques milliards de masses solaires peuvent se former au cœur de presque toutes les galaxies.

De plus, certains scénarios font intervenir l'existence de trous noirs de tailles intermédiaires entre les trous noirs stellaires et les trous noirs galactiques qui auraient ensuite fusionné pour donner les trous noirs supermassifs, par exemple lors de fusions de galaxies naines. Un candidat probable au titre de trou noir intermédiaire a même été découvert récemment dans l'amas globulaireOmega centauri.

Malgré tout, aucune observation n'était vraiment convaincante. La situation vient semble-t-il de changer, comme l'explique dans un article récent de Nature un groupe d'astrophysiciens français et anglais. A 290 millions d'années-lumière de la Voie lactée, une source X 260 millions de fois plus lumineuse que le Soleil a été découverte par le satellite XMM-Newton, de l'Esa.

La source baptisée d'HLX-1, bien qu'associée à la galaxie ESO 243-49, est excentrée. On ne peut donc pas la confondre avec un éventuel trou noir central en activité. De plus, elle est variable, ce qui exclut une association fortuite de plusieurs sources sur la ligne de visée des instruments. Si l'on fait intervenir les modèles habituels de l'astrophysique pour expliquer une telle source à l'aide de l'accrétion de matière sur un objet compact, la luminosité observée ne peut s'expliquer que si celui-ci possède une masse de plus de 500 fois celle du Soleil.

Il ne peut en aucun cas s'agir d'une étoile car cette masse se trouve bien au-delà de la limite imposée par la théorie de la structure stellaire et la pression de radiation. En effet, lorsqu'une étoile dépasse 100 masses solaires, les réactions nucléaires dans son cœur sont si énergétiques que le flux de photons produit n'est pas loin de souffler l'étoile en surpassant sa force de gravitation. De fait, les masses des étoiles observées se trouvent toutes en dessous de 150 masses solaires ou presque.

Ils existent, oui, mais pourquoi ?

Avec HLX-1, on tiendrait bien un chaînon manquant dans les processus de formation des trous noirs géants.

L'origine des trous noirs intermédiaires dont les masses seraient comprises entre quelques centaines et une centaine de milliers de masses solaires n'est pas encore très bien comprise. Au début de l'histoire du cosmos observable, pendant la période dite de la renaissance cosmique, la très faible métallicité du gaz primordial à l'origine des premières étoiles autorisait peut-être l'existence d'étoiles supergéantes de quelques centaines de masses solaires, par exemple dans des amas globulaires très denses. Là aussi, un premier processus de fusion avec des trous noirs stellaires plus massifs que ceux se formant aujourd'hui a peut-être été actif.

Il n'est pas impossible non plus que des trous noirs intermédiaires servant de germes aux futurs trous noirs géants résultent des fluctuations de densité primordiales dont on sait qu'elles peuvent théoriquement produire un large spectre de trous noirs de différentes masses. Après les trous noirs stellaires, galactiques et intermédiaires, à quand des mini trous noirs ?

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