Cette vue d'artiste montre un trou noir compact 11 fois plus massif que le Soleil et l'étoile de cinq masses solaires qui lui tourne autour. Les deux objets se trouvent dans NGC 1850, un amas de milliers d'étoiles situé à environ 160.000 années-lumière dans le Grand Nuage de Magellan, un voisin de la Voie Lactée. La déformation de la forme de l'étoile est due à la forte force gravitationnelle exercée par le trou noir. Non seulement la force gravitationnelle du trou noir déforme la forme de l'étoile, mais elle influence également son orbite. En observant ces effets orbitaux subtils, une équipe d'astronomes a pu déduire la présence du trou noir, ce qui en fait le premier petit trou noir en dehors de notre Galaxie à être découvert de cette manière. Pour cette découverte, l'équipe a utilisé l'instrument Muse (Multi Unit Spectroscopic Explorer) du Very Large Telescope de l'ESO au Chili. © ESO, M. Kornmesser
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Une méthode de détection des exoplanètes marche aussi pour les trous noirs extragalactiques

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Les trous noirs en dehors de la Voie lactée sont souvent découverts par des émissions de rayons X produites par la matière qui tombe vers eux en produisant un disque d'accrétion. Mais pour la première fois, un trou noir en dehors de notre Galaxie a été découvert en utilisant l'une des méthodes permettant celle des exoplanètes, via les mouvements oscillants qu'il produit sur son étoile hôte.

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Nous savons maintenant que les trous noirs sont des objets très communs dans le cosmos observable. On pouvait s'en douter dès les années 1960, notamment après la démonstration par le prix Nobel Roger Penrose de l'inévitabilité de l'effondrement vers une solution de type trou noir des équations de la relativité générale d'une étoile suffisamment massive ayant épuisé son carburant thermonucléaire.

Aujourd'hui, les meilleurs arguments pour la présence des trous noirs sont observationnels. Le tout dernier étant celui fourni par les observations de M87* par les membres de la collaboration Event Horizon Telescope. Mais celui qui est le plus convaincant, bien que la preuve ultime ne soit pas encore entre nos mains, c'est celui fourni par l'étude des ondes gravitationnelles.

Une vidéo extraite du site Du Big Bang au Vivant avec des commentaires de Jean-Pierre Luminet et Hubert Reeves. © Groupe ECP

Toutefois, auparavant, on avait découvert un certain nombre de candidats au titre de trou noir grâce à l'essor de l'astronomie des rayons X, montrant que des astres compacts ne pouvant être sur la séquence principale des étoiles et accrétant de la matière arrachée à une étoile compagne avaient bien une masse supérieure à celles autorisées par la théorie des naines blanches et des étoiles à neutrons.

L'étude des mouvements de certaines étoiles au centre de la Voie lactée donnait également des informations qui ne s'expliquaient bien qu'en supposant l'existence d'un objet compact contenant environ 4 millions de masses solaires et se comportant à bien des égards comme un trou noir.

Pour la première fois, c'est une méthode similaire qui livre une preuve de l'existence d'un trou noir en dehors de notre Voie lactée, comme le montre un article d'une équipe internationale d'astronomes, publié dans le prestigieux journal MNRAS. En fait, pour être précis, c'est un avatar de la méthode des vitesses radiales utilisée pour découvrir des exoplanètes. Sauf qu'ici c'est un trou noir qui est responsable des oscillations du mouvement de l'étoile hôte, oscillations qui se manifestent sous la forme d'un décalage Doppler périodique.

Pour la première fois, des astronomes ont découvert un petit trou noir à l'extérieur de la Voie lactée en examinant comment il influence le mouvement d'une étoile à proximité immédiate. Cette vidéo résume la découverte. 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 ». © European Southern Observatory (ESO)

Un trou noir stellaire âgé de moins de 100 millions d'années

Tout comme dans le cas de la Voie lactée, c'est le Very Large Telescope de l'Observatoire européen austral (VLT de l'ESO) qui a rendu cette découverte possible en observant avec l'instrument Muse (Multi Unit Spectroscopic ExplorerNGC 1850, un amas ouvert de milliers d'étoiles situé à environ 160.000 années-lumière dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie voisine de la Voie lactée.

Rappelons que les amas ouverts existent aussi dans notre Galaxie. L'un des plus célèbres est celui des Pléiades (M45). Contrairement aux amas globulaires, comme Messier 9, qui sont âgés de plus de dix milliards d'années, ces amas contiennent de jeunes étoiles, de 100 à 1.000 environ. Elles sont nées dans de gigantesques nuages moléculaires situés dans le disque de notre Voie lactée. Mais, comme beaucoup de ces étoiles jeunes sont faiblement liées gravitationnellement, elles se dispersent rapidement, de sorte que la moitié des amas ont un âge inférieur à 200 millions d'années. Certains mettent plus de temps à se dissiper et on estime que moins de 1 % d'entre eux survivent pendant deux milliards d'années. Notre Soleil a très probablement des frères et des sœurs nés avec lui et qui sont maintenant dispersés dans la Galaxie.

Asseyez-vous, détendez-vous et profitez de ce voyage vers NGC 1850, un amas de milliers d'étoiles situé à environ 160.000 années-lumière dans le Grand Nuage de Magellan, un voisin de la Voie lactée. © ESO, N. Risinger (skysurvey.org), DSS, Nasa/ESA/M. Romaniello. Music: Azul Cobalto

« Muse nous a permis d'observer des zones très encombrées, comme les régions les plus internes des amas stellaires, en analysant la lumière de chaque étoile à proximité. Le résultat net est une information sur des milliers d'étoiles en une seule fois, au moins 10 fois plus qu'avec n'importe quel autre instrument », explique ainsi dans un communiqué de l'ESO l'astronome Sebastian Kamann. Lui et ses collègues ont d'abord repéré une étoile de 5 masses solaires dont le mouvement particulier semblait signaler la présence du trou noir stellaire. Cela a été confirmé par la combinaison des données de l'Optical Gravitational Lensing Experiment de l'université de Varsovie et du télescope spatial Hubble, combinaison qui a livré pour l'objet non lumineux responsable du mouvement de l'étoile une estimation de sa masse qui est de l'ordre de 11 masses solaires. Comme l'amas NGC 1850 est âgé de moins de 100 millions d'années, le trou noir détecté ne doit pas être plus vieux.

La méthode est prometteuse et devrait nous permettre de détecter et d'étudier des populations de trous noirs stellaires dans des galaxies et des amas globulaires proches, livrant bien des secrets sur la formation de ces populations dans les galaxies. Elle sera mise en pratique avec l'Extremely Large Telescope (ELT) de l'ESO au Chili.

Cette animation explique la méthode utilisée par une équipe d'astronomes pour découvrir un petit trou noir en dehors de notre galaxie - le premier à être trouvé en utilisant cette technique. Ils l'ont découvert dans l'amas d'étoiles NGC1850, dont l'image apparaît au début de l'animation. Les chercheurs ont utilisé l'instrument Muse (Multi Unit Spectroscopic Explorer) du Very Large Telescope de l'ESO au Chili pour analyser les spectres de milliers d'étoiles de l'amas en même temps. Les spectres (représentés dans la vidéo par des barres colorées) montrent la lumière émise par les étoiles à différentes longueurs d'onde et contiennent des informations sur leur composition chimique, leur température et leur vitesse. L'animation se concentre ensuite sur l'un des spectres, celui d'une étoile cinq fois plus massive que notre Soleil. Les lignes sombres de son spectre – dues à différents éléments chimiques – oscillent d'avant en arrière vers les couleurs bleu et rouge. Cela signifie que l'étoile se rapproche et s'éloigne périodiquement de nous. Cela a permis aux astronomes de déduire la présence du trou noir de onze masses solaires, qui influence l'orbite de l'étoile par sa forte force gravitationnelle. © ESO/L. Calçada, Nasa/ESA/M. Romaniello. Acknowledgement: J.C. Muñoz-Mateos

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