Voici une vue d'artiste d'un trou noir dérivant dans notre Galaxie, la Voie lactée. Le trou noir est le reste écrasé d'une étoile massive qui a explosé en supernova. Le noyau survivant est de plusieurs fois la masse de notre Soleil. Le trou noir piège la lumière en raison de son champ gravitationnel intense. Le trou noir déforme l'espace qui l'entoure, ce qui déforme les images d'étoiles d'arrière-plan alignées presque directement derrière lui. Cet effet de « lentille » gravitationnelle offre la seule preuve révélatrice de l'existence de trous noirs solitaires errant dans notre Galaxie, dont la population pourrait atteindre 100 millions. Le télescope spatial Hubble part à la recherche de ces trous noirs en recherchant la distorsion de la lumière des étoiles lorsque les trous noirs dérivent devant les étoiles de fond. © ESA, Hubble, Digitized Sky Survey, Nick Risinger (skysurvey.org), N. Bartmann
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On commence à détecter les trous noirs errants qui foncent à travers la Voie lactée

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[EN VIDÉO] Un trou noir pourrait-il entrer en collision avec la Terre ?  Un trou noir est une région de l’espace dont rien ne peut s'échapper, pas même la lumière. Il est donc naturel de se demander si ce type d’objet pourrait être une menace pour notre planète. Futura-Sciences a interviewé Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, qui nous répond ici en vidéo. 

On suspectait l'existence de trous noirs stellaires solitaires invisibles en rayons X ou gamma mais pouvant révéler leur présence par effet de microlentille gravitationnelle dans la Voie lactée. Un premier candidat a été découvert, notamment avec l'aide des observations du télescope Hubble, fonçant à 160.000 km/h.

Les étoiles de plus de 8 masses solaires ne finiront pas en naine blanche mais en explosant en supernovae SN II. Celles dont les masses sont supérieures à 20/30 masses solaires ne devraient pas éjecter suffisamment de matière dans l'explosion pour que l'effondrement gravitationnel donne le plus souvent une étoile à neutrons, mais bien plutôt un trou noir stellaire. Ceux que l'on observe ont des masses comprises entre 5 et 15 masses solaires. Ils se signalent dans la Voie lactée du fait de la matière qu'ils arrachent à une étoile compagne et qui forme un disque d'accrétion où des forces de frottement visqueux entre les courants de matière, tombant en spirale vers l'astre compact, l'échauffent au point d'émettre des rayons X.

Mais, selon les astrophysiciens théoriciens étudiant la naissance des étoiles à neutrons et des trous noirs stellaires, il peut arriver que l'explosion soit asymétrique et qu'en conséquence l'astre compact final soit propulsé comme s'il était une fusée. On peut calculer facilement, comme le montre le cours d’astrophysique du célèbre William Press, que du simple fait de son explosion dans un système binaire avec une importante perte de masse, les lois de la mécanique impliquent aussi qu'une étoile à neutrons ou un trou noir stellaire nouvellement formés soient catapultés à grande vitesse, au point parfois de pouvoir se libérer de l'attraction gravitationnelle de la Voie lactée.

Les astrophysiciens estiment donc qu'il doit exister une importante population de trous noirs stellaires solitaires qui errent ou foncent à travers notre Galaxie. Le nombre de ces objets peut être estimé à environ 100 millions mais il existe plusieurs incertitudes concernant les modèles décrivant leur naissance, de sorte qu'en fait il est un peu plus précis de dire que ce nombre se trouve probablement quelque part entre 10 millions et un milliard. A contrario, déterminer ce nombre permettrait de faire le tri entre ces modèles et aussi d'avoir des informations sur l'évolution stellaire et donc chimique des galaxies car elles sont enrichies en éléments lourds nouveaux à chaque explosion de supernovae de type SN II.

Mais comment détecter ces trous noirs isolés puisqu'ils n'accrètent pas de matière et donc ne génèrent pas indirectement du rayonnement ?

Les astronomes ont peut-être découvert le premier trou noir flottant librement dans la Voie lactée, grâce à une technique appelée microlentille gravitationnelle. 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's Goddard Space Flight Center

Un trou noir qui fait briller les étoiles

La relativité générale donne la réponse. Elle prédit que le champ de gravitation qui peut finir par faire se recourber un rayon lumineux qui serait envoyé d'un point très proche de la surface des événements d'un trou noir, au point qu'il retombe en direction de ce trou noir, est aussi capable de dévier les rayons des étoiles devant lesquelles peut s'interposer cet objet pour un observateur au point que l'environnement proche du trou noir se comporte comme une lentille gravitationnelle, pouvant transitoirement augmenter la luminosité de l'étoile devant laquelle le trou noir transite.

Les astrophysiciens ont donc entrepris de chasser des événements manifestant ce phénomène de microlentille gravitationnelle avec divers instruments et deux équipes viennent de faire savoir, via une publication dans The Astrophysical Journal Letters et une autre dans The Astrophysical Journal, qu'ils avaient enfin trouvé un candidat au titre de trou noir stellaire isolé dans la Voie lactée.

Les deux équipes se sont basées initialement sur des campagnes d'observation avec des données photométriques qui proviennent d'une part de l'Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) et d'autre part de l'expérience Microlensing Observations in Astrophysics (MOA). OGLE utilise un télescope de 1,3 mètre au Chili exploité par l'université de Varsovie, et MOA utilise un télescope de 1,8 mètre en Nouvelle-Zélande exploité par l'université d'Osaka. Étant donné que les deux relevés par microlentille ont capturé le même objet, il porte deux noms : MOA-2011-BLG-191 et OGLE-2011-BLG-0462, ou OB110462, en abrégé.

L'équipe dirigée par Casey Lam et Jessica Lu à l'UC Berkeley a estimé que le trou noir stellaire derrière l'événement se situe entre 2.280 et 6.260 années-lumière  en direction du centre de la Voie lactée, dans le bras spiral Carina-Sagittaire de notre Galaxie. Elle estime également que la masse de l'objet compact invisible est comprise entre 1,6 et 4,4 fois celle du Soleil (plus l'objet est massif, plus l'effet de lentille est fort, on peut donc mesurer sa masse). Les astrophysiciens sont donc prudents car il pourrait s'agir aussi bien d'une étoile à neutrons que d'un trou noir.

Mais les membres de l'autre équipe, dirigée par Kailash Sahu du Space Telescope Science Institute à Baltimore (Maryland) en se basant sur les mêmes données mais aussi sur des observations provenant du télescope Hubble, est plus sûre de ses affirmations. Pour ses membres, l'objet compact se trouve à environ 5.153 années-lumière et surtout il posséderait une masse d'environ 7,1 fois celle du Soleil. Cette fois-ci, l'objet est trop lourd pour être une étoile à neutrons selon la théorie de ces objets, et l'hypothèse la plus probable est qu'il s'agit bien d'un trou noir et pas d'un autre astre exotique encore inconnu.

L'équipe de Sahu estime que le trou noir isolé se déplace à travers la galaxie à la vitesse vertigineuse de 160.000 kilomètres par heure, ce qui est suffisamment rapide pour voyager de la Terre à la Lune en moins de trois heures.

Cette découverte permet aux astronomes d'estimer statistiquement que le trou noir de masse stellaire isolé le plus proche de la Terre pourrait être aussi proche que 80 années-lumière.

Le ciel rempli d'étoiles sur cette photo du télescope spatial Hubble se trouve dans la direction du centre galactique. La lumière des étoiles est surveillée pour voir si un changement dans leur luminosité apparente est causé par un objet au premier plan dérivant devant elles. La déformation de l'espace par l'intrus augmenterait momentanément l'apparence lumineuse d'une étoile d'arrière-plan, un effet appelé microlentille gravitationnelle. Un de ces événements est illustré dans les quatre gros plans en bas. La flèche pointe vers une étoile qui s'est momentanément « illuminée », tel que cela a été capturé pour la première fois par Hubble en août 2011. Cela a été causé par un trou noir au premier plan dérivant devant l'étoile, le long de notre ligne de visée. L'étoile s'est illuminée puis est ensuite revenue à sa luminosité normale au passage du trou noir. Parce qu'un trou noir n'émet ni ne réfléchit de lumière, il ne peut pas être observé directement. Mais son empreinte digitale unique sur le tissu de l'espace peut être mesurée à travers ces événements de microlentille. © Nasa, ESA, K. Sahu (STScI), J. DePasquale (STScI)

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