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Trous noirs stellaires : un flash de lumière trahirait leur naissance

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Les trous noirs stellaires se formeraient-ils véritablement sans supernovae préalables, sans même produire un signal réellement observable ? Pas du tout selon l'astrophysicien américain Tony Piro. D'après ses analyses, un flash de lumière visible assez puissant devrait pouvoir être détecté, notamment avec le futur Large Synoptic Survey Telescope (LSST).

La voûte céleste, telle que la verrait un observateur situé près d'un hypothétique trou noir devant le centre de notre galaxie. À cause de la déflexion de la lumière passant près du trou noir, l'image de la Voie lactée n'est plus rectiligne. De plus, les principales constellations sont très déformées. On peut tout de même reconnaître le Sagittaire et le Scorpion, en haut à gauche, et Alpha et Bêta du Centaure, en bas à droite. © Alain Riazuelo, IAP

On entend souvent dire que les trous noirs stellaires ne se forment qu'à l'occasion de l'explosion d'une étoile dépassant environ 20 masses solaires. L'observation d'une supernova, de type SN II dans ce cas-là, serait supposée signaler la naissance d'un tel astre compact. Or, les détails des mécanismes à l'œuvre lors de la naissance d'un trou noir stellaire étant encore mal compris, des astrophysiciens soupçonnaient qu'un tel lien de causalité n'était pas forcément systématique.

Pour ces scientifiques, si le processus d'effondrement gravitationnel des étoiles massives à l'origine des trous noirs commençait bien selon un scénario identique à celui conduisant à une SN II, la matière et la lumière de l'étoile mourante étaient si rapidement et si puissamment capturées par la formation du trou noir, qu'il valait mieux parler de « non-nova » (unnova en anglais). En d'autres termes, l'effondrement d'une étoile massive produirait directement un trou noir stellaire, sans passer par le stade de supernova.

On ne pouvait donc pas espérer assister à la formation d'un trou noir à partir de l'observation d'une SN II. Pour être plus précis, un tel événement ne serait possible que dans le cas des hypernovae conduisant à un sursaut gamma long. Mais comme celles-ci sont très rares dans une galaxie, le phénomène n'est pas facile à étudier directement.

Hartland Snyder a posé les bases de la théorie de la formation des trous noirs. Le chercheur a aussi été l’un des premiers à réfléchir à une géométrie non commutative de l'espace-temps en gravitation quantique, dans un article de 1947. © Brookhaven National Laboratory

La longue exploration de l'effondrement des étoiles

Rappelons que la théorie de l'effondrement gravitationnel qui conduit à la formation d'un trou noir a une longue histoire. Elle commence à la fin des années 1930 avec les travaux pionniers de Robert Oppenheimer et de son étudiant Hartland Snyder. À l'époque, personne ou presque, excepté le génial physicien russe Lev Landau, ne les prend au sérieux.

Tout va changer après la seconde guerre mondiale, avec le développement intensif des ordinateurs d'Alan Turing et John von Neumann, pour les besoins de la modélisation des explosions thermonucléaires. Que ce soit aux États-Unis ou en URSS, les concepteurs d'armes nucléaires se tournent alors vers la modélisation des explosions d'étoiles.

Les Américains Stirling Colgate et Richard White découvrent ainsi dans les années 1960 que l'effondrement d'une étoile suffisamment massive doit effectivement conduire à la formation d'un trou noir. Le phénomène est même censé être précédé de la formation temporaire d'une étoile à neutrons. Forcés de se combiner, du fait des extraordinaires pressions produites par l'effondrement gravitationnel, protons et électrons des atomes de l'étoile massive doivent donner lieu à la formation de neutrons, et surtout de neutrinos. Or, d'ordinaire très pénétrants à basses énergies, les neutrinos ne le sont plus quand ils sont portés à de hautes énergies.

Stirling Colgate a été l’un des pionniers de l'astrophysique numérique. Ses travaux les plus célèbres sont peut-être ceux sur l'effondrement des étoiles accompagnant les supernovae et la naissance des trous noirs stellaires. © University of Chicago

Les neutrinos et la formation des trous noirs stellaires

Dans le cas des supernovae SN II, l'un des scénarios expliquant l'explosion fait intervenir ce flux de neutrinos, qui soufflerait les couches supérieures de l'étoile. En 1980, Dmitry Nadezhin de l'Alikhanov Institute for Theoretical and Experimental Physics (Itep) en Russie, découvre que ce flux de neutrinos doit emporter une masse significative de l'étoile en train de s'effondrer, et modifier ainsi son champ de gravitation.

On savait déjà, depuis les travaux de Prahlad Chunilal Vaidya, que le rayonnement d'une étoile, fut-il sous forme de lumière, pouvait conduire à une modification notable de son champ de gravitation. Nadezhin lui, rajoute que dans le cas de la formation d'une étoile à neutrons, cette modification va conduire à la formation d'une onde de choc en direction de l'extérieur de l'étoile en cours d'effondrement. Intuitivement, cela se comprend en partie par le fait que l'affaiblissement temporaire du champ de gravitation facilite l'effet du souffle, conduisant ordinairement à l'explosion de l'étoile.

Image d'une simulation numérique moderne, de l’intérieur d’une étoile, quand l’effondrement du cœur se produit et occasionne une explosion en supernova. La protoétoile à neutrons est située dans le petit cercle blanc au centre. Les panaches sont composés de matière chaude, accompagnant l'onde de choc qui se propage dans l'étoile géante en train de devenir une supernova. © Max-Planck-Gesellschaft München, 2003-2007

Récemment, un groupe d'astrophysiciens américains de l'université de Californie à Santa Cruz avait entrepris de réactualiser les idées de Nadezhin à l'aide de simulations numériques. Il était arrivé à la conclusion que l'onde de choc devait produire un échauffement suffisant de la matière pour que la formation du trou noir s'accompagne d'un rayonnement un million de fois plus intense que la lumière du Soleil.

Un nouveau type de supernova ?

Selon ces astrophysiciens, ce rayonnement restait cependant trop faible pour que l'on puisse l'observer dans des galaxies proches de la Voie lactée. La naissance d'un trou noir stellaire, bien qu'accompagnée d'une supernova très faible restait donc, en pratique, similaire à une unnova pour ce qui est des possibilités d'observation.

Or, c'était sans compter sur Tony Piro. Nouveau rebondissement dans la théorie des trous noirs, cet astrophysicien du California Institute of Technology (Caltech) où enseignait Richard Feynman, vient lui aussi de déposer un article sur le même sujet. Sa nouvelle étude, publiée sur arxiv, remet partiellement en cause le travail de ses deux collègues, et particulièrement leur estimation du rayonnement émis. Selon lui, lorsque l'onde de choc atteint la surface de l'étoile en train de s'effondrer, le rayonnement serait en fait de 10 à 100 fois plus intense que ce que prévoyaient leurs simulations.

En outre, il s'agirait d'un flash bien observable dans l'ultraviolet et même dans le visible. Ce flash serait plus précisément une courbe de lumière similaire à celle des supernovae, mais dont le maximum durerait trois à dix jours. Actuellement, des campagnes d'observation dédiées à la détection de flashs de lumière comparables, comme l'intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), pourraient même repérer un événement de ce genre chaque année. Selon le chercheur, si ses calculs sont corrects, la naissance des trous noirs stellaires dans les galaxies proches ne devrait pas échapper au futur Large Synoptic Survey Telescope (LSST). Plusieurs de ces événements cosmiques devraient ainsi être débusqués chaque année sur la voûte céleste.

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