Une vue d'artiste de la formation supernova ratée avec N6946-BH1 qui est en fait devenue presque directement un trou noir. La supergéante rouge aurait bien explosé mais la majorité de sa matière n'aurait pas été éjectée, devenant un trou noir accrétant la matière restante et brillant dans le domaine des rayons X. © Nasa, ESA et P. Jeffries (STScI)

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Hubble aurait observé la naissance d'un trou noir

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L'étoile massive N6946-BH1 a visiblement explosé sous nos yeux mais aucune supernova n'a été repérée. Les astronomes suspectaient la chose possible, ce qui implique la formation directe d'un trou noir. C'est bien ce que semblent avoir observé trois instruments, dont Hubble. Ce serait une grande première.

Il y a presque un an, un groupe d'astronomes états-uniens expliquaient dans un article mis en ligne sur arXiv que des observations menées conjointement avec le télescope Hubble et le LBT (Large Binocular Telescope) avaient probablement surpris une étoile se transformant en trou noir sans passer par le stade supernova. Ces mêmes astronomes confirment aujourd'hui leur découverte, qui est cette fois largement relayée par la Nasa et également soutenue par les données fournies par le télescope Spitzer dans l'infrarouge.

Comme nous l'expliquions dans un précédent article (voir ci-dessous), le cas de l'étoile N6946-BH1 est intéressant parce qu'il fournit probablement la clé de l'énigme du déficit des supernovae SN II associée aux supergéantes rouges. Ce sont des étoiles massives brûlant très rapidement leur carburant nucléaire et leur nombre dans les galaxies peut être facilement estimé. Comme la théorie de l'évolution stellaire nous dit que de telles étoiles devraient finir par exploser en s'effondrant gravitationnellement, il doit être possible d'estimer le nombre de supernovae observables dans une population de galaxies pendant une certaine durée. Or, ce nombre est inférieur de 30 % environ à ce que prédit la théorie...

Une présentation de la supernova ratée N6946-BH1. 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 ». © Nasa Goddard

Des supernovae ratées qui expliqueraient les observations d'eLigo ?

Pour éliminer ce désaccord, les astrophysiciens ont émis l'hypothèse que l'effondrement gravitationnel serait parfois si rapide et puissant que la géante rouge qui le subit n'a pas le temps d'exploser en perdant une grande partie de sa masse. Apparaîtrait alors à une supernova ratée, ne donnant pas une étoile à neutrons mais directement un trou noir massif de plusieurs dizaines de masses solaires. Cette hypothèse est d'autant plus intéressante que la première onde gravitationnelle détectée par eLigo provient d'un système binaire contenant deux trous noirs a priori stellaires mais dont les masses importantes ont étonné les chercheurs car on ne s'attendait pas à observer aussi facilement un couple de ces astres compacts aussi massifs.

Située à environ 22 millions d'années-lumière dans la galaxie NGC 6946, N6946-BH1 était précisément une supergéante rouge de 25 masses solaires sur les premières photographies prises par Hubble et le LBT. Puis, un pic de luminosité en 2009, rendant N6946-BH1 environ un million de fois plus brillante que le Soleil pendant quelques mois, avait été suivi... d'une disparition de l'étoile dans le visible. L'hypothèse du passage d'un nuage de matière poussiéreuse ayant occulté l'astre ne semble pas résister à l'analyse car les mesures dans l'infrarouge auraient dû continuer à repérer l'étoile.

Toutes les observations sont donc concordantes avec le scénario qui postule que l'on a bien observé la formation d'un trou noir sans la naissance d'un reste de supernovae comme celui de la nébuleuse du Crabe. Mais les chercheurs restent prudents. Ils veulent attendre les observations du télescope James Webb dont les instruments seront plus sensibles dans le domaine de l'infrarouge. Ils essaient aussi de détecter une signature dans le domaine des rayons X qui proviendrait de la matière engloutie par le trou noir laissé par la disparition de N6946-BH1.

Pour en savoir plus

Le problème des supergéantes rouges résolu grâce à Hubble ?

Article de Laurent Sacco publié le 19/09/2016

Hubble aurait observé la formation d'un trou noir stellaire sans que celui-ci provienne d'une explosion d'étoile en supernova. Cela pourrait permettre de confirmer pour la première fois le scénario des supernovae ratées, proposé pour résoudre le problème des supergéantes rouges.

Il existe en astrophysique une énigme connue sous le nom de « problème des supergéantes rouges ». En fait, le terme « énigme » est exagéré, car nous connaissons plusieurs solutions plausibles. Mais faisons d'abord connaissance avec le problème. Cela nous permettra de comprendre ensuite pourquoi des observations faites par le télescope Hubble, et qui sont analysées dans un article publié récemment par des chercheurs sur arXiv, le concernent.

La théorie de l'évolution stellaire, et les simulations numériques que l'on peut faire avec, nous indique qu'une étoile dont la masse est supérieure à 8-10 masses solaires ne finira pas en naine blanche comme le Soleil ou Proxima du Centaure mais sous forme d'une supernova de type SN II. Elle devrait alors laisser comme cadavre une étoile à neutrons. Enfin, pas toujours, car on a des raisons de penser qu'au-delà de 40 masses solaires environ, ce sera un trou noir.

Le destin des étoiles de masses intermédiaires (entre 8-10 et 40 masses solaires) est moins clair dans le sens où les deux types d'astres compacts - étoile à neutrons ou trou noir - sont l'état final de l'évolution de ces astres.

Mais il y a pire... Les étoiles entre 15 et 30 masses solaires environ doivent un jour devenir des supergéantes rouges puis exploser en supernovae SN II. Problème : on n'a jamais observé des supernovae de ce type qui pouvaient être rattachées à une supergéante rouge dans cet intervalle de masse. Alors, que deviennent ces étoiles ?

Kézako est la série documentaire qui répond aux questions de science que tout le monde se pose. Cet épisode traite de la question « Qu'est-ce qu'un trou noir ? ». Il détaille les notions de densité et de masse, amenant la notion de trou noir. Il aborde aussi la notion de mirages gravitationnels. © Unisciel

Des supernovae ratées qui s'effondrent directement en trou noir

Une théorie a été avancée qui veut qu'au moins un tiers de ces soleils vont s'effondrer gravitationnellement directement en trou noir, sans passer par la case supernova. Le phénomène étant nettement moins brillant (10.000 fois moins lumineux), cela expliquerait pourquoi il aurait échappé jusqu'à présent aux observations. On parle à son sujet de supernova ratée (failed supernova en anglais). Toutefois, pour vraiment gagner ses lettres de noblesse, ce scénario doit conduire à des prédictions pouvant être validées par des télescopes. Les astrophysiciens en ont trouvées.

Tout commence selon le scénario classique pour une SN II. Le cœur en fer d'une étoile massive voit ses réactions thermonucléaires de fusion des noyaux s'arrêter. L'énergie libérée sous forme de lumière ne peut plus s'opposer à sa contraction, ce qui conduit les protons et les électrons à se combiner en neutrons en émettant des neutrinos. Le reste de l'étoile se contracte aussi mais il est obligé de rebondir sur un cœur nouvellement formé, bien plus dense. L'onde de choc produite et la pression du rayonnement des neutrinos soufflent alors les couches supérieures de l'étoile.

Avec une supernova ratée, l'onde de choc et les neutrinos ne sont pas assez forts pour volatiliser l'étoile et l'effondrement n'est pas stabilisé par un cœur de neutrons hyperdenses. Toutefois, le flux de neutrinos entraînant une perte de masse significative, le plasma externe de l'étoile se dilate, devient moins chaud, de sorte que les noyaux et les électrons de ce plasma se recombinent, ce qui conduit tout de même pendant quelque temps à un objet un million de fois plus lumineux que le Soleil puis qui disparaît des télescopes classiques.

La supergéante rouge N6946-BH1 est-elle devenue un trou noir ?

Des campagnes d'observations cherchant ce phénomène ont été conduites, notamment avec le Large Binocular Telescope (LBT), un télescope situé dans l'Arizona (États-Unis) qui possède deux miroirs de 8,4 mètres de diamètre placés sur la même monture. Parmi les candidats intéressants, les astrophysiciens ont trouvé la supergéante rouge N6946-BH1, située à environ 20 millions d'années-lumière de la Voie lactée et qui est devenue plus brillante en 2009 avant de disparaître. Sa masse a été estimée à environ 25 masses solaires.

En compulsant les archives des images de Hubble, les chercheurs annoncent maintenant qu'à la place de N6946-BH1, le télescope spatial, qui a aussi vu le même phénomène que le LBT, voit maintenant une source faiblement lumineuse dans l'infrarouge. Toutes les observations convergent donc vers l'idée que Hubble a bien observé pour la première fois non seulement une supernova ratée mais aussi la formation d'un trou noir.

Il y a cependant une dernière étape à franchir pour pouvoir affirmer cela. Il faudrait en effet détecter des émissions intenses en rayons X à la place de N6946-BH1, causées par l'accrétion de matière sur le trou noir. Le télescope Chandra a été appelé à la rescousse. Il pourrait nous donner une réponse positive dans quelques mois.

  • L’étoile N6946-BH1 est devenue brusquement plus lumineuse en 2009 mais toutefois moins que si elle s'était transformée en une supernova, avant de disparaître du regard des télescopes.
  • Comme il s'agissait d'une étoile contenant environ 25 masses solaires, il semble qu'elle soit devenue un trou noir sans que l'effondrement gravitationnel de l'étoile génitrice ne s'accompagne d'une supernova SN II.
  • Cette observation serait une grande première mais qui reste à confirmer, notamment par d'autres du même genre mais dans le domaine des rayons X.
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