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Surprise : le trou noir de Cygnus X1 ne proviendrait pas d'une supernova

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On affirme en général que pour former un trou noir stellaire, il faut qu'une supernova ait explosé. Un scénario alternatif existe pourtant, qui fait intervenir un simple effondrement gravitationnel d'une étoile, sans aucune explosion. La première détermination précise complète des paramètres du plus célèbre des trous noirs, celui de Cygnus X1, donne plus de poids à ce scénario.

Une vue d'artiste du microquasar Cygnus X1. © Chandra X-Ray Observatory, Nasa

On peut considérer que Subrahmanyan Chandrasekhar avait prévu la formation des trous noirs avant tout le monde au début des années 1930 en découvrant qu'une étoile ayant épuisé son carburant nucléaire et dont la masse dépassait 1,44 masse solaire devait s'effondrer sur elle-même. Bien qu'un tel effondrement gravitationnel puisse parfois simplement conduire à la formation d'une étoile à neutrons, il peut aussi conduire à un trou noir, comme Robert Oppenheimer et Georges Volkoff l'ont montré en compagnie d'Hartland Snyder.

La théorie des trous noirs fit l'objet d'impressionnants travaux de Chandrasekhar pendant les années 1970. Avec sa découverte de ce qui s'appelle maintenant la masse de Chandrasekhar, ils furent en partie à l'origine de son prix prix Nobel de physique en 1983. Comme d'habitude pour la remise de ce prix, le lauréat donne une conférence. À la fin de celle du grand astrophysicien indien, on trouve de fascinantes remarques concernant la théorie mathématique des trous noirs, qui sont à peu près les suivantes : 

« Je ne sais pas si toute la portée de ce que j'ai dit est claire. Laissez-moi vous expliquer. Les trous noirs sont des objets macroscopiques avec des masses variant de quelques masses solaires à des milliards de masses solaires. Lorsqu'ils peuvent être considérés comme stationnaires et isolés, ils sont tous, chacun d'entre eux, décrits exactement par la solution de Kerr. C'est le seul cas connu où nous avons une description exacte d'un objet macroscopique. 

Les objets macroscopiques tout autour de nous sont régis par une variété de forces, décrites par diverses approximations de plusieurs théories physiques.

En revanche, les seuls éléments de construction de trous noirs sont nos concepts de base de l'espace et du temps. Ils sont ainsi, presque par définition, les objets macroscopiques les plus parfaits de l'univers. Et puisque la théorie de la relativité générale nous fournit une famille de solutions dépendant uniquement de deux paramètres pour leur description, ils sont aussi les objets les plus simples de l'univers ».


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 www.dubigbangauvivant.com. © Groupe ECP/YouTube

Cygnus X1 : le trou noir décrypté

Ces remarques permettent de comprendre pourquoi les récents articles publiés sur arxiv, concernant une nouvelle étude du trou noir Cygnus X1 à l'aide du Very Long Baseline Array (VLBA), sont présentés plus au ou moins comme la première description complète d'un trou noir.

Grand comme un continent, ce radiotélescope est constitué par la mise en commun, à l'aide de la synthèse d'ouverture par interférométrie, de plusieurs radiotélescopes. Il vient de permettre une détermination précise de la masse et du moment cinétique de cette célèbre source de rayons X qui fut le premier candidat trou noir clairement identifié. Comme il s'agit des deux paramètres décrivant la solution de Kerr pour un trou noir en rotation dont parlait Chandrasekhar, on dispose donc en théorie de toutes les informations de base pour décrire ce qui se passe avec un tel trou noir.

On n'est cependant pas en présence d'un système isolé car le rayonnement X de ce microquasar est engendré par l'accrétion de la matière provenant d'une étoile. Elle forme un système binaire avec ce trou noir dont on sait maintenant qu'il est à peu près quinze fois plus massif que le Soleil et qu'il tourne sur lui-même environ huit cents fois plus vite.


Extrait du documentaire Du Big bang au Vivant (ECP Productions, 2010), Jean-Pierre Luminet parle de la mort des étoiles massives, leur explosion en supernova et la formation de pulsars. © Groupe ECP/YouTube

Une vitesse de révolution galactique trop lente pour l'hypothèse de la supernova

Le VLBA a aussi permis des mesures fines de la position et de la vitesse de ce système binaire par la méthode de la parallaxe. Son mouvement dans la Galaxie a donc été précisé et selon les chercheurs, l'ensemble de ces informations, caractérisant le trou noir de Cygnus X1, donne du poids à une hypothèse ancienne, en particulier présentée en 2003 par Félix Mirabel dans un article de Science.

On présente généralement la formation d'un trou noir stellaire comme le résultat de l'effondrement gravitationnel du cœur d'une étoile au moins trente fois plus massive que le Soleil. Un tel effondrement accompagnerait une supernova de type SN II laissant donc, comme toute supernova, des restes sous forme de nébuleuse

Cette explosion éjecte de grandes quantités de matière dans l'espace interstellaire, facilement plusieurs fois la masse du Soleil, et à grande vitesse. Il en résulte que le trou noir nouvellement formé peut être éjecté d'un système binaire si son étoile génitrice en faisait partie, ou pour le moins, qu'une brusque modification du mouvement du système binaire autour de la Voie lactée se produit, à la façon d'une fusée éjectant du gaz.

Or, la meilleure connaissance de la position de Cygnus X1, avec une distance évaluée aujourd'hui à 6.070 années-lumière contre une valeur comprise entre 5.800 et 7.800 années-lumière, ainsi que sa vitesse et son âge (qui serait d'environ 6 millions d'années) ne sont pas favorables à ce scénario de formation. Ainsi, on ne trouve pas le reste de supernova qui devrait être associé à Cygnus X1 et le mouvement du système binaire lui-même ne diffère pas vraiment de celui-ci d'un système classique en orbite dans le plan de la Galaxie. 

Il semble donc que l'étoile génitrice du trou noir Cygnus X1 se soit effondrée directement en trou noir, sans exploser en supernova.

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