Une vue d'artiste d'un trou noir avalant la matière provenant d'une étoile qu'il vient de détruire par ses forces de marée. © Kittiphat, Adobe Stock
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Comment expliquer l'existence des trous noirs intermédiaires ?

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[EN VIDÉO] Au plus près des trous noirs  Plongez au coeur des trous noirs, ces astres qui dévorent toute la matière, et même la lumière ! 

Plusieurs modèles ont été proposés pour rendre compte de l'existence de trous noirs dits intermédiaires, lesquels seraient des germes pour la naissance des trous noirs supermassifs. Des observations dans le domaine des rayons X et avec Hubble viennent de soutenir un des modèles proposés qui implique que certains trous noirs d'origine stellaire peuvent avaler plus d'un millier d'étoiles dans certaines régions au cœur de galaxies spirales.

Les premiers candidats au titre de trou noir stellaire ont été découverts au début des années 1970 avec l'essor de l'astronomie X, en particulier. Mais on peut dire que les premiers candidats au titre de trou noir tout court ont été découverts au début des années 1960 avec les quasars. Au cours des années suivantes de la fin du XXe siècle, il devient de plus en plus probable que les trous noirs stellaires mis en évidence avaient des masses comprises entre 5 et 15 masses solaires alors que les trous noirs supermassifs au cœur des grandes galaxies, comme la Voie lactée, contenaient de un million à plusieurs milliards de masses solaires.

Si la naissance des trous noirs stellaires n'est pas très mystérieuse, par effondrement gravitationnel d'une étoile en fin de vie contenant probablement initialement plus de 30 masses solaires, celle des trous noirs supermassifs est toujours énigmatique même si plusieurs scénarios plausibles ont été avancés. On fait ainsi intervenir l'existence de trous noirs de masses intermédiaires entre les deux populations qui pourraient fusionner à l'occasion de collision de galaxies et accréter aussi de la matière provenant de courants d'hydrogène tombant sur les galaxies ou encore en avalant des étoiles.

Cette dernière hypothèse n'est pas sans problème car on sait bien que dans les galaxies, les distances entre les étoiles sont telles que l'on peut les considérer comme formant un gaz sans collisions. Toutefois, aujourd'hui, un article publié dans The Astrophysical Journal par une équipe d'astrophysiciens et que l'on peut lire en accès libre sur arXiv permet de reconsidérer ce scénario sous un autre jour qui le rend nettement plus intéressant et crédible.

Images dans le domaine X et dans le visible de NGC 1385, NGC 1566, NGC 3344 et NGC 6503. Ces quatre galaxies font partie d'une vaste étude de plus de 100 galaxies menée avec Chandra et Hubble. Les carrés indiquent les régions où des trous noirs en croissance dans des amas d'étoiles nucléaires ont été débusqués. © Rayons X : Nasa, CXC, Washington State Univ., V. Baldassare et al. ; visible : Nasa, ESA, STScI

Depuis environ une décennie, on a des indications de l'existence des trous noirs intermédiaires et ce qui apparaît maintenant comme prometteur pour expliquer au moins en partie cette existence, c'est que dans une fraction notable des grandes galaxies on trouve des amas d'étoiles nucléaires. Ces nuclear star clusters (NSC), comme on dit en anglais, se trouvent au centre de la plupart des galaxies spirales et ils sont plus denses (de 106 à 108 masses solaires sous forme d'étoiles dans une région d'une dizaine d'années-lumière de rayon) que les amas globulaires et les amas ouverts d'étoiles tout en contenant aussi bien des étoiles vieilles, comme les premiers, que des étoiles jeunes, comme les seconds.

Des catalyseurs de rencontres stellaires

Les NSC se trouvent surtout dans des galaxies pas trop massives, comme la Voie lactée, et en général dans celle où l'on observe les trous noirs supermassifs les plus légers voire pas du tout. Notre Galaxie possède des NSC et son trou noir géant central ne contient que 4 millions de masses solaires environ.

Des observations faites dans le domaine des rayons X avec le télescope spatial Chandra et dans le visible avec le télescope Hubble ont mis en évidence dans plus de 100 galaxies des NSC contenant des trous noirs particuliers dans un échantillon de 29 qui a émergé des études des données collectées par les deux instruments conjointement.

Elles semblent confirmer une théorie de croissance en avalanche de trous noirs stellaires dans ces amas dont la densité permet à des étoiles de se rapprocher de ces trous noirs au point d'être détruites par les forces de marée, donnant lieu aux fameux Tidal disruption events (ou TDE) que l'on peut traduire en français par « évènements de rupture par effet de marée », déjà modélisés au cours des années 1980 par Jean-Pierre Luminet et Brandon Carter.

Dans un NSC, selon les calculs des chercheurs, un trou stellaire né au centre va ensuite détruire et avaler la matière de milliers d'étoiles, se transformant donc en trou noir de masse intermédiaire vers le centre des galaxies. Les calculs montrent également qu'il existe un seuil de densité, et qui dépend également de la vitesse à laquelle les étoiles des amas se déplacent, à partir duquel le processus de croissance avec consommation d'étoiles s'emballe vraiment.

Comme prévu par la théorie, les NSC au-dessus du seuil calculé contiennent plus de trous noirs en croissance, ce qui accrédite la théorie. Le processus de croissance par emballement peut se produire dans n'importe quel amas suffisamment dense et donc aujourd'hui encore dans l'Univers et pas au début de son histoire. Ce qui est une autre prédiction testable.

Une courte présentation de la découverte faite concernant l'origine possible des trous noirs intermédiaires. 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 ». © Chandra X-ray Observatory

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