Une vue d'artiste d'un trou noir supermassif en mode quasar avec jets. © Nasa, ESA and J. Olmsted (STScI)
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Un sursaut gamma a révélé un trou noir intermédiaire, peut-être primordial

ActualitéClassé sous :trou noir , XMM-Newton , trous noirs de masse intermédiaire

[EN VIDÉO] Sursauts gamma : des collisions d'étoiles à neutrons illuminent l'Univers  Les sursauts gamma sont les évènements les plus lumineux de l'Univers dans le domaine des ondes électromagnétiques. On peut en observer un par jour en moyenne sur la voûte céleste et ils surviennent dans des galaxies lointaines. Il en existe deux types, les courts et les longs. Cette vidéo explique la nature des sursauts courts. 

Depuis une décennie, on détecte des candidats au titre de trou noir de masse intermédiaire. L'un des derniers a été débusqué dans des archives concernant des observations de sursauts gamma. Remarquablement, l'astre compact, qui pourrait être un fossile du Big Bang, s'est trahi par un effet de lentille gravitationnelle avec les rayons gamma.

La collaboration Event Horizon Telescope a récemment rendu publique l'image qu'elle a réalisée du trou noir supermassif M87* montrant l'effet des champs magnétiques associés à son disque d'accrétion et à ses jets de particules sur la polarisation de son rayonnement électromagnétique. M87* est un monstre contenant environ 6 milliards de masses solaires et comme tous ses cousins géants au cœur de la majorité des grandes galaxies, on ne sait pas vraiment comment il est né.

On comprend plutôt bien comment des étoiles peuvent s'effondrer gravitationnellement pour donner des trous noirs stellaires de quelques dizaines de masses solaires tout au plus. On a bien considéré des modèles d'étoiles supermassives ne pouvant se former naturellement que pendant les premières centaines de millions d'années de l'existence du cosmos observable, mais ce scénario n’est pas sans problème.

Parmi ceux qui ont été proposés pour rendre compte de l'existence de trous noirs supermassifs, tôt dans l'histoire de l'Univers observable, il y a ceux qui postulent l'existence de trous noirs de masses intermédiaires, c'est-à-dire entre une centaine et un million de masses solaires. Ils peuvent servir de germes pour la formation des trous noirs supermassifs contenant plus d'un million de masses solaires auxquels ils peuvent donner naissance par des processus de fusion et en accrétant beaucoup de matière provenant de courants de matière froids tombant sur les galaxies, en étant canalisés par des filaments de matière noire.

Il est plus facile de rendre compte de la formation de trous noirs de masses intermédiaires. Ils pourraient en fait être des fossiles de phases primitives du cosmos au moment du Big Bang, lorsque la densité de matière était élevée et que des fluctuations dans la métrique de l'espace-temps, associées à la turbulence du plasma de particules élémentaires primordiales, pouvaient mener à des surdensités locales dépassant dans des volumes donnés celles conduisant à la formation de trous noirs par effondrement gravitationnel.

Une présentation du programme des Grands Observatoires de la Nasa. 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 STI Program

Un trou noir débusqué grâce à un des Grands Observatoires de la Nasa

On a cherché à mettre en évidence des trous noirs intermédiaires qui pourraient donc en fait être des trous noirs primordiaux. La tâche n'est pas facile mais, depuis environ une décennie, des candidats à ce titre ont bel et bien été trouvés. Un des derniers en date a été débusqué d'une manière originale comme l'explique une publication dans Nature Astronomy que l'on doit à des astrophysiciens des Universités de Melbourne et Monash en Australie.

En effet, contenant environ 55.000 masses solaires il a trahi son existence en produisant un effet de lentille gravitationnelle sur le flux de photons du sursaut gamma GRB 950830 détecté il y a plus de 20 ans par le défunt satellite de la Nasa Compton Gamma-Ray Observatory. Rappelons que CGRO, qui a disparu intentionnellement, étant hors service, en se désagrégeant à grande vitesse dans les couches de l'atmosphère, faisait partie du programme des Grands Observatoires de la Nasa qui comprenait quatre télescopes spatiaux spécialisés dans des bandes de longueurs d'onde données et qui ont été lancés aux  cours des années 1990 essentiellement. Hubble observe ainsi dans le visible, l'ultraviolet et l'infrarouge proche, alors que Chandra regarde le cosmos dans le domaine des rayons X. En complément de CGRO, Spitzer explorait, lui, l'Univers infrarouge.

GRB 950830 a les caractéristiques d'un sursaut gamma produit par la collision de deux étoiles à neutrons, donc une kilonova. Il fait partie des plus de 10.000 sursauts gamma découverts par les yeux en orbite de la noosphère et son observation par l'instrument BATSE (Burst and Transient Source Experiment) a donné lieu à des archives où les chercheurs ont fouillé pour découvrir ce que n'avaient pas compris ou pas encore étudié leurs prédécesseurs, la présence d'un effet de lentille gravitationnelle.

Rappelons rapidement que dans le cadre de la relativité générale, la gravitation peut influer sur la trajectoire des photons bien que ces grains de lumière ne soient pas des particules matérielles. Un objet suffisamment massif va donc se comporter comme une lentille, dont les effets sur les rayons lumineux deviennent clairement observables.

Le premier physicien à se rendre compte de l'existence de cet effet dans les équations de la théorie de la gravitation d'Einstein fut probablement le Russe Danilovich Khvolson, qui fit part de sa découverte dans un article datant de 1924. Personne ne le remarqua et ce n'est qu'en 1936 que la père de la théorie de la relativité publia un article sur le même sujet, stimulé par la lettre d'un particulier, Rudi Mandl. Einstein doutait que le phénomène soit observable et il avait de bonnes raisons, car l'effet de lentille gravitationnelle qu'il considérait était associé à une étoile.

Une vue d'artiste de l'effet de lentille gravitationnelle sur deux rayons issus d'un sursaut gamma. © Carl Knox, OzGrav
Pour en savoir plus

Hubble débusque plus de 20 trous noirs regroupés au même endroit

Article de Laurent Sacco publié le 12/02/2021

On s'attendait à trouver un représentant des mythiques trous noirs de masse intermédiaire au cœur de l'amas globulaire NGC 6397 en utilisant les observations de Hubble et de Gaia. Mais, à la place, on a découvert une population dense de trous noirs au cœur de cet amas dont le diamètre est inférieur à 100 années-lumière.

Une vue d'artiste des trous noirs dans NGC 6397, rendus « visibles » par des effets de lentilles gravitationnelles. © ESA, Hubble, N. Bartmann eeee

On sait reproduire sur ordinateur l’effondrement gravitationnel des étoiles ayant épuisé leur carburant nucléaire central et l'on sait qu'en utilisant les lois de la physique connues, un trou noir doit inévitablement se former. Des candidats au titre de trou noir stellaire, contenant quelques dizaines de masses solaires tout au plus ont été détectés dès les années 1970, notamment à cause des rayons X qu'émettent les disques d'accrétion qui les entourent.

Dès les années 1960, la découverte des quasars a rapidement été interprétée en imaginant qu'il s'agissait cette fois-ci de trous noirs supermassifs accrétant, là aussi, de la matière. Cette hypothèse s'est renforcée au cours des cinquante dernières années, d'abord et en particulier avec les travaux des prix Nobel de physique Andrea Ghez et Reinhard Genzel, puis plus récemment avec les résultats des observations de la collaboration Event Horizon Telescope.

Toutefois, ces objets qui contiennent au moins un million de masses solaires ont une origine qu'il est beaucoup plus difficile de déterminer clairement. Plusieurs hypothèses ont été proposées dont celle des trous noirs intermédiaires avec des masses seraient comprises entre une centaine de masses solaires et un million de fois la masse du Soleil. Des fusions répétées de ces trous noirs pourraient rendre compte de l'existence des trous noirs supermassifs ; or, il est plus facile de faire naître des trous noirs de masses intermédiaires que ces géants.

Encore faut-il qu'ils existent, depuis quelques décennies les astrophysiciens sont partis à leur recherche. Quelques candidats à ce titre ont été trouvés et les théoriciens ont également avancé que les amas globulaires pouvaient être des lieux de genèse assez propices à la naissance des trous noirs intermédiaires. La densité d'étoiles dans un amas globulaire est nettement plus élevée que dans une galaxie standard. Des processus de friction dynamique résultant du gaz d'étoile sur des astres compacts comme les naines blanches, les étoiles à neutrons et les trous noirs stellaires - selon une célèbre formule déterminée par le prix Nobel de physique Chandrasekhar - favorisent une sorte de sédimentation de ces objets au cœur des amas globulaires, et donc les rencontres et les fusions dans les cœurs denses en étoiles de ces amas.

Une présentation de la découverte des trous noirs au cœur de NGC 6397. 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, ESA, Hubble Space Telescope

Vingt trous noirs dans une sphère de 34 années-lumière de rayon

Eduardo Vitral et Gary A. Mamon sont deux chercheurs en poste à l'Institut d'astrophysique de Paris et c'est en partant à la recherche des trous noirs de masses intermédiaires qu'ils ont dirigé leur regard en direction d'un amas globulaire parmi les 150 environ connus de la Voie lactée, ceux-ci comportant jusqu'à un million d'étoiles rassemblées dans des sphères dont les diamètres ne sont que de quelques centaines d'années-lumière tout au plus.

Il se nomme NGC 6397, se trouve à environ 7.800 années-lumière du Système solaire et la quantité d'étoiles sorties de la séquence principale sur le fameux diagramme de Hertzsprung-Russell (comme le fera le Soleil d'ici cinq milliards d'années) laisse penser qu'il est très âgé, s'étant formé il y a environ 13,4 milliards d'années.

Les deux astrophysiciens, comme ils l'expliquent dans un article en accès libre sur arXiv, avaient entrepris d'analyser des données concernant les vitesses, positions et distances des étoiles dans cet amas qui ont été collectées pendant quelques années à l'aide du télescope Hubble et du satellite Gaia pour l'essentiel. Ils ont exprimé le contenu de ces observations dans un communiqué de la Nasa et de l'ESA. Mamon explique ainsi que : « Notre analyse a établi que les caractéristiques des formes des orbites des étoiles sont presque distribuées de façon aléatoire dans tout l'amas globulaire, plutôt que systématiquement circulaires ou très allongées. » Vitral de son côté précise : « Nous avons trouvé des preuves très solides de la présence d'une masse invisible dans les régions centrales denses de l'amas, mais nous avons été surpris de constater que cette masse supplémentaire n'est pas ponctuelle mais étendue sur quelques pourcents de la taille de l'amas. »

En clair, il ne pouvait pas y avoir un trou noir intermédiaire mais bien une collection de trous noirs de type stellaire, attendu que la théorie de l'évolution stellaire pour un amas globulaire ne pouvait pas s'accommoder de l'hypothèse que les astres forcément très peu lumineux détectés indirectement soient des membres de populations d'étoiles à neutrons ou de naines blanches au cœur de l'amas.

Si l'on peut généraliser ce résultat à d'autres amas globulaires autour d'autres galaxies, il serait intéressant de pouvoir déterminer à quel point des collisions entre ces trous noirs contribuent aux sources d'ondes gravitationnelles que peuvent détecter Ligo et Virgo.


L'existence des trous noirs intermédiaires renforcée par Hubble

Article de Laurent Sacco publié le 05/04/2020

Les trous noirs de masses intermédiaires, entre celles des étoiles et leurs cousins géants contenant plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires, sont difficiles à détecter et font l'objet d'une chasse. Quelques candidats à ce titre sont connus, et le dernier débusqué avec l'aide du télescope Hubble semble particulièrement convaincant.

Cette impression d'artiste représente une étoile déchirée par les forces de marée d'un trou noir de masse intermédiaire (IMBH), entouré d'un disque d'accrétion. © ESA, Hubble, M. Kornmesser

L'année dernière, le 10 avril 2019, les membres de l'Event Horizon Telescope révélaient la première image d’un trou noir. Il s'agissait de celle d'un monstre, au cœur de la galaxie M87, de 6,5 milliards de masses solaires situé dans une région de 20 milliards de kilomètres de large, soit à peine deux fois le diamètre de notre Système solaire. Ce genre d'astre compact fait partie des trous noirs dits supermassifs et par convention ils contiennent au moins un million de masses solaires. Pour mémoire, celui de la Voie lactée, Sgr A* en contient 4 millions seulement.

On connaît d'autres trous noirs, les trous noirs stellaires qui, comme leur nom l'indique, se forment à partir des étoiles. Le premier trou noir de ce genre à avoir été détecté est célèbre sous le nom de Cygnus X1. La théorie et les observations les font provenir de l'effondrement gravitationnel d'étoiles contenant moins de 100 masses solaires environ et de fait, ceux que l'on connaît dans la Voie lactée ont tous entre 5 et 15 masses solaires. Ils proviennent généralement de l'explosion en supernovae d'étoiles massives, explosion qui éjecte une bonne partie de l'étoile génitrice, ce qui fait que les trous noirs en résultant sont moins massifs que l'astre initial.

Les trous noirs sont parmi les objets les plus opaques de l'Univers. Ils sont cependant 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 produisent auraient contribué à allumer les premières étoiles et à former les premières galaxies. Hubert Reeves et Jean-Pierre Luminet, spécialistes en cosmologie contemporaine, répondent à toutes vos questions. Pour en savoir plus, visitez www.dubigbangauvivant.com. © Groupe ECP, YouTube

L'énigmatique origine des trous noirs géants

Par contre, on ne comprend pas très bien l'origine des trous noirs supermassifs. Parmi les hypothèses avancées, on fait intervenir des trous noirs de plus petite taille, contenant entre cent et quelques centaines de milliers de masses solaires et que l'on appelle des trous noirs de masses intermédiaires, des Intermediate-mass black holes en anglais ou IMBH. Ils se trouveraient au cœur des galaxies naines ou des amas globulaires, et lors de collisions entre galaxies ces trous noirs fusionneraient. En plus de ce processus de coalescence dans de grandes galaxies, ces dernières et leurs trous noirs géants centraux seraient alimentés par des filaments de matière froide.

On ne comprend pas très bien non plus l'origine des IMBH mais ils sont plus faciles à former que les trous noirs supermassifs. Ils pourraient par exemple être nés pendant le Big Bang et être initialement ce que l'on appelle des trous noirs primordiaux provenant de surdensités dans le plasma primitif, déjà lui-même formidablement dense et chaud.

Mais avant de spéculer sur leur origine il faut sans doute d'abord répondre à une question. Les IMBH existent-ils ? Depuis des années, des candidats à ce titre ont été découverts mais sans jamais satisfaire vraiment l'exigence de rigueur de toute la communauté scientifique. Futura avait parlé dans le précédent article ci-dessous d'un de ces candidats très crédibles, identifié d'abord comme une source de rayons X observée, associée à la galaxie ESO 243-49 avec le satellite de l'ESA XMM Newton et baptisée HLX-1.

Cette image du télescope spatial Hubble a identifié l'emplacement d'un trou noir de masse intermédiaire, pesant 50.000 fois la masse de notre Soleil (ce qui le rend beaucoup plus petit que les trous noirs supermassifs trouvés au centre des galaxies). Le trou noir, nommé 3XMM J215022.4−055108, est indiqué par le cercle blanc. L'imagerie à haute résolution de Hubble montre que le trou noir se trouve à l'intérieur d'un amas dense d'étoiles bien au-delà de notre Galaxie, la Voie lactée. © Nasa, ESA, and D. Lin (University of New Hampshire)

Aujourd'hui, un groupe d'astrophysiciens fait savoir via une publication dans The Astrophysical Journal Letters, également disponible en accès libre sur arXiv, qu'en joignant des observations de XMM Newton à celles du télescope Hubble, un candidat encore plus crédible au titre de trou noir de masse intermédiaire a été découvert. La source X, dans le catalogue établi par le télescope de l'ESA, porte le nom de 3XMM J215022.4−055108. Elle se trouve dans un amas stellaire proche d'une galaxie.

Un trou noir de 50.000 masses solaires

Dacheng Lin, de l'University of New Hampshire, et ses collègues se sont intéressés à cette source qui avait brillé fortement en 2006 sous le regard non seulement de XMM Newton mais aussi de Chandra, le télescope spatial de la Nasa également dédié à l'astronomie X. À l'époque les caractéristiques de la brusque émission de rayons X avaient fait penser aux chercheurs qu'une étoile avait probablement été détruite par les forces de marée d'un trou noir massif en s'approchant trop près de son horizon des événements. Dans ce genre de situation, il peut d'ailleurs se former ce que l'on appelle des crêpes stellaires, un scénario étudié il y a des décennies par Jean-Pierre Luminet et Brandon Carter.

3XMM J215022.4−055108 ne semblait pas avoir de contrepartie dans le visible, associée à une grande galaxie, ce qui à l'époque déjà laissait penser que l'on pouvait être en présence d'un IMBH lointain. Mais sa luminosité intrinsèque pouvait aussi être bien moins extraordinaire si on était simplement en présence d'une étoile à neutrons accrétant de la matière et située dans la Voie lactée et non pas très loin d'elle.

Des recherches ont donc été entreprises avec Hubble qui ont finalement permis de localiser la source X dans un amas stellaire dense au voisinage d'une lointaine galaxie, comme le montre la photographie prise par le télescope spatial ci-dessus. Cet amas pourrait être le cœur d'une galaxie naine largement dépouillée de ses étoiles par les forces de marée d'une grande galaxie avec laquelle elle serait entrée en interaction rapprochée selon les astrophysiciens.

Plus assurés qu'ils étaient bien en présence d'un IMBH, les chercheurs ont fait parler le spectre des émissions de rayons X au moment où il a visiblement détruit une étoile, pour en conclure que ce trou noir devait contenir environ 50.000 masses solaires.

Une présentation de la découverte de 3XMM J215022.4−055108. 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


Oui, les trous noirs de masse intermédiaire existent !

Article de Laurent Sacco publié le 03/07/2009

On les cherchait depuis longtemps et bien que quelques candidats aient déjà été repérés, l'existence de trous noirs de masses intermédiaires entre celle d'une étoile et celle d'un trou noir galactique, dépassant le million de masses solaires, n'était toujours pas démontrée. Un groupe d'astronomes, dont des chercheurs du Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements de Toulouse, a débusqué ce qui semble en être la preuve la plus sérieuse : une source X autour de la galaxie ESO 243-49.

Pendant des dizaines d'années, les travaux de théoriciens, de l'envergure de Chandrasekhar et Oppenheimer, sur le destin ultime des étoiles ayant épuisé leur carburant thermonucléaire et dont la masse dépassait plusieurs fois celle du Soleil faisait l'objet d'un scepticisme poli de la part de leurs collègues. Même le grand John Wheeler, à qui l'on doit pourtant l'expression « trou noir », ne croyait pas à leur existence. Ce n'est qu'au début des années 1960 que la situation s'est renversée.

Aujourd'hui les trous noirs sont omniprésents non seulement en astrophysique mais aussi en cosmologie et même en physique des particules élémentaires. On en connaît même au centre des galaxies. Mais le bestiaire diversifié de ces astres reste énigmatique. On comprend bien comment des trous noirs de quelques masses solaires à quelques dizaines de masses solaires peuvent se former à la fin de la vie d'étoiles très massives qui explosent en supernovae. En revanche, on ne comprend pas bien comment des trous noirs géants dont les masses vont de quelques millions à quelques milliards de masses solaires peuvent se former au cœur de presque toutes les galaxies.

De plus, certains scénarios font intervenir l'existence de trous noirs de tailles intermédiaires entre les trous noirs stellaires et les trous noirs galactiques qui auraient ensuite fusionné pour donner les trous noirs supermassifs, par exemple lors de fusions de galaxies naines. Un candidat probable au titre de trou noir intermédiaire a même été découvert récemment dans l'amas globulaire Omega centauri.

Malgré tout, aucune observation n'était vraiment convaincante. La situation vient semble-t-il de changer, comme l'explique dans un article récent de Nature un groupe d'astrophysiciens français et anglais. A 290 millions d'années-lumière de la Voie lactée, une source X 260 millions de fois plus lumineuse que le Soleil a été découverte par le satellite XMM-Newton, de l'Esa.

Représentation artistique de la source X, nommée HLX-1 (point lumineux bleu en haut à gauche du bulbe galactique). Elle est située dans la périphérie de la galaxie spirale ESO 243-49. HLX-1 est le candidat le plus solide détecté à ce jour, appartenant à la classe, si longtemps recherchée des trous noirs de masse intermédiaire. © Insu/Heidi Sagerud

La source baptisée d'HLX-1, bien qu'associée à la galaxie ESO 243-49, est excentrée. On ne peut donc pas la confondre avec un éventuel trou noir central en activité. De plus, elle est variable, ce qui exclut une association fortuite de plusieurs sources sur la ligne de visée des instruments. Si l'on fait intervenir les modèles habituels de l'astrophysique pour expliquer une telle source à l'aide de l'accrétion de matière sur un objet compact, la luminosité observée ne peut s'expliquer que si celui-ci possède une masse de plus de 500 fois celle du Soleil.

Il ne peut en aucun cas s'agir d'une étoile car cette masse se trouve bien au-delà de la limite imposée par la théorie de la structure stellaire et la pression de radiation. En effet, lorsqu'une étoile dépasse 100 masses solaires, les réactions nucléaires dans son cœur sont si énergétiques que le flux de photons produit n'est pas loin de souffler l'étoile en surpassant sa force de gravitation. De fait, les masses des étoiles observées se trouvent toutes en dessous de 150 masses solaires ou presque.

Ils existent, oui, mais pourquoi ?

Avec HLX-1, on tiendrait bien un chaînon manquant dans les processus de formation des trous noirs géants.

L'origine des trous noirs intermédiaires dont les masses seraient comprises entre quelques centaines et une centaine de milliers de masses solaires n'est pas encore très bien comprise. Au début de l'histoire du cosmos observable, pendant la période dite de la renaissance cosmique, la très faible métallicité du gaz primordial à l'origine des premières étoiles autorisait peut-être l'existence d'étoiles supergéantes de quelques centaines de masses solaires, par exemple dans des amas globulaires très denses. Là aussi, un premier processus de fusion avec des trous noirs stellaires plus massifs que ceux se formant aujourd'hui a peut-être été actif.

Il n'est pas impossible non plus que des trous noirs intermédiaires servant de germes aux futurs trous noirs géants résultent des fluctuations de densité primordiales dont on sait qu'elles peuvent théoriquement produire un large spectre de trous noirs de différentes masses. Après les trous noirs stellaires, galactiques et intermédiaires, à quand des mini trous noirs ?

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