Le champ de gravitation d'un trou noir stellaire entouré d'un disque d'accrétion chaud et lumineux déforme fortement l'image de ce disque. On peut s'en rendre compte avec cette image, extraite d'une simulation de ce que verrait un observateur s'approchant de l'astre compact selon une direction légèrement inclinée au-dessus du disque d'accrétion. La partie du disque située derrière le trou noir semble tordue à 90° et devient visible. Jean-Pierre Luminet a fait la première simulation de ces images en 1979. © Jean-Pierre Luminet, Jean-Alain Marck

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Notre trou noir supermassif serait entouré de milliers de trous noirs stellaires

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Depuis quelques décennies, les astrophysiciens avaient prévu l'existence d'une distribution piquée de milliers de trous noirs stellaires en orbite rapprochée autour des trous noirs supermassifs. Chandra vient enfin de la mettre en évidence autour de celui de la Voie lactée.

Lorsque Stephen Hawking et Kip Thorne ont commencé à travailler sur les trous noirs, fin des années 1960-début des années 1970, la communauté des astrophysiciens n'était pas encore vraiment convaincue de l'existence de ces astres prédits par la théorie de la relativité générale. On commençait tout juste à avoir des preuves de l'existence des étoiles à neutrons grâce à la radioastronomie, d'autres objets compacts nécessitant la théorie d'Einstein pour être décrits.

Les débuts de l'astronomie X allaient changer la donne et aujourd'hui, nous savons bien que les trous noirs sont légions dans le cosmos observable, y compris au cœur des galaxies où ils sont supermassifs comme le pensaient déjà il y a presque 50 ans des chercheurs, tel Lynden-Bell. Il existe donc en particulier un trou noir supermassif contenant environ quatre millions de masses solaires au centre de la Voie lactée. Nous le savons notamment par l'étude du mouvement de certaines étoiles autour de la source radio Sagittarius A* (Sgr A*).

Les trous noirs sont parmi les objets les plus opaques de l'univers. Heureusement, ils sont en revanche parmi les plus attractifs, et c'est par leur pouvoir d'attraction démesuré que nous pouvons les détecter. Les trous noirs géants sont les ogres les plus monstrueux du zoo cosmique, mais ils ne sont pas des armes de destruction massive. Les jets de matière qu'ils éjectent auraient contribué à allumer les premières étoiles et à former les premières galaxies. © Groupe ECP, Du Big Bang au vivant, via YouTube

Sgr A*, un laboratoire pour la physique et l'astrophysique relativiste

Ce trou noir est un formidable laboratoire pour tester aussi bien nos idées sur la relativité générale et les théories qui la prolongent, que pour explorer l'astrophysique de ces objets, car il est bien évidemment le trou noir supermassif le plus proche mais aussi l'un des trous noirs le plus facilement observable en raison de sa taille. C'est pourquoi Sgr A* a été observé avec l'EHT (Event Horizon Telescope). Son environnement proche est scruté par différents télescopes dans l'espoir de mieux comprendre les processus d'accrétion autour des trous noirs qui peuvent notamment conduire à l'existence des quasars.

Un phénomène intéresse, en particulier, les astrophysiciens relativistes, c'est la production d'ondes gravitationnelles par un trou noir supermassif autour duquel gravite un trou noir stellaire qui finit par y être englouti. Perdant de l'énergie sous la forme de ces ondes, la taille de son orbite doit diminuer sans cesse jusqu'à ce que se produisent collision et fusion.

On s'attend depuis quelques décennies à ce qu'il existe des milliers de trous noirs stellaires autour d'un astre comme Sgr A*. En effet, d'une part la concentration du gaz accrété par le trou noir doit favoriser la création d'étoiles très massives dont le destin est de devenir rapidement des trous noirs stellaires. D'autre part, le champ de gravitation de Sgr A* doit particulièrement attirer vers lui les trous noirs ainsi formés, de  sorte qu'une large population de ces astres devrait exister dans un rayon de quelques années-lumière autour de notre trou noir supermassif, mais aussi de tous les autres.

Une image en fausses couleurs des sources X autour de Sgr A*. © NASA/CXC/SAO

300 à 500 binaires à rayons X avec trous noirs autour de Sgr A*

Malheureusement, cette hypothèse n'avait jamais pu être vérifiée jusqu'à présent. De fait, bien que l'on pense également qu'il doit exister des millions de trous noirs dans la Voie lactée, nous en avons détecté seulement quelques dizaines. Ce n'est possible que lorsqu'ils sont en couple dans un système binaire dans lequel l'autre astre est une étoile à laquelle ses forces de marée arrachent de la matière. En tombant sur le trou noir, la matière s'échauffe en formant un disque d'accrétion et elle se met alors à émettre des rayons X. Seule une fraction des trous noirs stellaires se trouve dans cette situation, et la matière interstellaire est parfois tellement absorbante que même des explosions de supernovae peuvent se produire dans la Voie lactée, sans être observées sur Terre.

Le rayonnement X des trous noirs ne semble en fait facilement détectable par des satellites dans l'espace comme Chandra que lorsqu'il se produit des éruptions violentes dans les disques d'accrétion, ce qui est plutôt rare. Malgré tout, une équipe internationale d'astrophysiciens, menée par Chuck Hailey de l'université Columbia, vient de faire savoir via un article publié dans Nature qu'elle était parvenue à détecter 12 trous noirs stellaires dans un rayon de 3 années-lumière autour de Sgr A*, et ce grâce aux données collectées par Chandra.

Les trous noirs détectés sont ceux qui se sont associés à des étoiles célibataires de faible masse, proches de Sgr A* après leur naissance. Ils ne forment qu'une fraction des trous noirs en couple ou célibataires. Leur découverte et les caractéristiques de leurs orbites permettent cependant d'estimer le nombre total de ces trous noirs, ils doivent être d'autant plus nombreux qu'ils sont proches de Sgr A*.

De 300 à 500 systèmes binaires avec un trou noir devraient ainsi exister en orbite autour de notre trou noir supermassif et environ 10.000 autres qui sont célibataires.

  • Les trous noirs peuvent signaler leur présence, bien qu'indirectement, lorsqu'ils accrétent de la matière, notamment lorsqu'ils font partie d'un système binaire avec une étoile dont ils arrachent de la matière grâce aux forces de marée.
  • Peu de trous noirs stellaires sont en couple et la matière dans le milieu interstellaire cache souvent leur rayonnement, même dans le domaine des rayons X.
  • On vient toutefois d'en détecter 12 dans un volume de 6 années-lumière de diamètre autour du trou noir supermassif de la Voie lactée, ce qui implique l'existence de milliers d'autres dans cette région, conformément à une théorie proposée depuis quelques décennies.
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