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, comme il l'explique dans une vidéo au début de cet article. © Jean-Pierre Luminet, Jean-Alain Marck

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Le système LB-1 ne comprendrait finalement aucun trou noir

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Initialement suspecté de comprendre un trou noir stellaire étonnamment massif, le système binaire LB-1 continue de révéler ses secrets. Plusieurs études avaient déjà revu à la baisse la masse de ce compagnon invisible et remis en question sa nature même de trou noir. Une nouvelle étude confirme maintenant qu'il ne s'agirait effectivement pas d'un trou noir. LB-1 serait en fait constitué de deux étoiles non dégénérées formant un système binaire inhabituel.

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LB-1, aussi connu comme LS V+22 25, constituait jusqu'à présent un système binaire spectroscopique à raies simples : sur les deux corps constituant le système, un seul était visible, la présence du second étant déduite des variations de vitesse radiale du premier. Le corps visible semble être une étoile dépouillée de ses couches supérieures, riche en hélium, d'environ une fois et demi la masse du Soleil, contrairement à ce qu'annonçaient les premières estimations qui en faisaient une étoile B (bleu-blanc) d'environ 8 masses solaires. La nature de la deuxième composante demeurait, par contre, incertaine jusqu'à présent.

Épisodes précédents : d'un trou noir massif à un objet indéterminé

Les premières mesures semblaient indiquer que le compagnon invisible serait un trou noir stellaire particulièrement massif, environ 68 fois plus que le Soleil, ce qui constituerait un défi pour les modèles de formation de ces objets. Cependant, cette masse étonnamment importante fut rapidement remise en cause par plusieurs études, la réduisant à entre 2 et 20 masses solaires selon les études en question. Cette réévaluation laissait alors même ouverte la possibilité que le supposé trou noir soit en réalité une étoile à neutrons ou même une étoile de la séquence principale (lire nos articles ci-dessous).

Nouvel épisode : deux étoiles non dégénérées et zéro trou noir

Tomer Shenar et ses collègues, de l'Institut d'astronomie de la KU Leuven, en Belgique, ont obtenu 26 nouvelles observations spectroscopiques, couvrant l'orbite du système, avec les spectrographes Hermes (High-Efficiency and high-Resolution Mercator Echelle Spectrograph) et Feros. En « démêlant » les spectres de LB-1, les chercheurs ont pu séparer les deux composantes du système. On a donc affaire à un système binaire spectroscopique à raies doubles. Ils ont alors pu déterminer que LB-1 contient deux étoiles non dégénérées.

L'objet secondaire (le compagnon jusqu'alors « caché ») est une étoile bleu-blanc de la séquence principale, à rotation rapide et avec un disque de décrétion, ce qui en fait une étoile Be, de type spectral complet B3Ve.

Les auteurs confirment par ailleurs que les propriétés de l'objet primaire (la seule étoile qui était visible jusqu'alors) correspondent à celles prédites pour les étoiles dépouillées : riche en hélium et en azote et présentant une émission importante de la raie de Balmer (raie spectrale de l'hydrogène), probablement due à son vent.

En estimant la masse de l'étoile secondaire à 7 ± 2 masses solaires, les chercheurs ont pu évaluer la masse de l'étoile primaire dépouillée à 1,5 ± 0,4 masse solaire. L'inclinaison orbitale, mesurée comme valant 39 ± 4 degrés, implique une rotation quasi critique pour l'étoile secondaire (vitesse de rotation de 470 kilomètres par seconde à l'équateur).

  • Les quelques trous noirs détectés dans la Voie lactée, à l'exception du trou noir supermassif central, sont supposés se former par l'effondrement d'une étoile lors de son explosion en supernova SN II.
  • Les masses observées et prédites théoriquement avec les scénarios standards de l'évolution stellaire étaient compatibles et comprises entre 5 et 15 masses solaires.
  • Cependant, un trou noir détecté dans un système binaire avec une étoile bleue posséderait environ 70 masses solaires, ce qui est pour le moment incompréhensible et nécessite de revoir nos idées sur la formation des trous noirs stellaires.
  • Mais, en réalité, ce trou n'existe peut-être pas, car l'estimation de la masse de l'astre appelé LB-1 résulterait d'une erreur de l'estimation sur la masse de l'étoile LS V+22 25.
  • Les dernières observations semblent indiquer que LB-1 ne contient aucun objet compact, mais est un système binaire rare constitué d'une étoile donneuse dépouillée et d'une étoile Be accrétante tournant à une vitesse proche de sa vitesse critique.
Pour en savoir plus

Le trou noir de 68 masses solaires qui défie l'astrophysique existe-t-il vraiment ?

Article de Laurent Sacco publié le 16/01/2020

Les trous noirs stellaires connus jusqu'ici dans la Voie lactée ne dépassaient pas la quinzaine de masses solaires, en accord avec les théories expliquant leur formation par effondrement gravitationnel d'une étoile lorsqu'elle devient une supernova. Les astrophysiciens ont donc été stupéfaits l'année dernière par la découverte d'un trou noir qui ne devrait pas exister car contenant environ 68 masses solaires. Mais cette estimation est remise en question aujourd'hui.

L'année dernière, l'annonce de l'estimation de la masse du trou noir LB-1 a surpris les astrophysiciens. Il fait partie d'un système binaire dont l'autre composante est une géante bleue de 8 masses solaires, une étoile de type B (plus précisément une étoile Be) cataloguée sous la dénomination de LS V+22 25 et qui se trouve à environ 15.000 années-lumière du Système solaire.

Cette masse, mais surtout la présence d'un autre astre associé à l'étoile bien visible, était déduite des mouvements de cette étoile provoquant une alternance de décalage vers le bleu puis vers le rouge par effet Doppler du spectre de l'étoile, décalage d'autant plus prononcé que ces mouvements sont rapides. C'est donc la même méthode, dite des vitesses radiales, que l'on utilise pour découvrir des exoplanètes et estimer leurs masses. Là aussi, plus l'exoplanète est massive pour une même distance à une étoile hôte d'une même masse donnée, plus elle va provoquer un mouvement de va-et-vient de son étoile du fait de l'attraction gravitationnelle mutuelle de ces astres (les planètes du Système solaire font aussi osciller le Soleil, ce qui permettrait à des E.T. de découvrir leur existence).

Dans le cas de LS V+22 25, la théorie de la structure stellaire nous permet d'estimer sa masse en tant qu'étoile de type B, en partie parce que cette masse est liée à sa température. On peut donc ensuite en tirer la masse de l'astre LB-1 qui, lui, ne semble pas rayonner, ce qui d'ailleurs conduit à adopter l'hypothèse qu'il est un trou noir. La masse obtenue était d'environ 68 masses solaires, aux incertitudes près des mesures. Or, une telle masse est bien trop élevée dans le cadre de ce que l'on sait en astrophysique.

L'Univers selon Stephen Hawking, par Jean-Pierre Luminet, des trous noirs à la cosmologie. Conférence donnée le 9 octobre 2019 au Conservatoire national des Arts et Métiers pour la Société astronomique de France. © Jean-Pierre Luminet

LS V+22 25, une fausse étoile de type B ?

LB-1 est un trou noir stellaire, ce qui veut dire que c'est le résidu d'une étoile qui a explosé en supernova en s'effondrant gravitationnellement. Les étoiles ont une masse qui ne peut guère dépasser les 100 masses solaires et la quantité de matière éjectée par le souffle de l'explosion d'une supernova est ordinairement très importante, de sorte que la masse de l'astre compact qui peut être laissé par cette explosion est difficilement et probablement très peu élevée. D'ailleurs, les masses des trous noirs stellaires précédemment découverts dans la Voie lactée sont toutes entre 5 et 15 masses solaires, comme Futura l'expliquait dans le précédent article au sujet de la découverte de LB-1 (voir ci-dessous).

Qu'en déduire ? Que l'on s'est probablement trompé quelque part dans l'estimation de la masse de LB-1 comme le soutient, dans un article en accès libre sur arXiv mais publié dans Astronomy and Astrophysics, une équipe d'astrophysiciens des universités de Erlangen-Nürnberg et Potsdam en Allemagne.

Les chercheurs ont fait des analyses plus poussées des abondances des éléments chimiques dans l'atmosphère de l'étoile LS V+22 25 et ils ont découvert des anomalies en ce qui concerne les quantités présentes d'oxygène, d'azote, de carbone et surtout d'hélium. Ces anomalies suggèrent que cette étoile n'est en fait pas de type B sur la fameuse séquence principale.  

Par contre, les mesures s'accordent bien avec un scénario dans lequel les couches supérieures constituées d'hydrogène de l'étoile auraient été arrachées par les forces de marée de l'astre, formant l'autre partie de l'étoile binaire, pour faire apparaître des couches constituées d'hélium produites par l'évolution de la nucléosynthèse stellaire. Sous cette hypothèse, la masse de LS V+22 25 est nettement plus faible, environ 1,1 masse solaire, ce qui veut dire que pour rendre compte de l'amplitude de ses mouvements oscillants, la masse de LB-1 doit être plus basse elle aussi.

Quelle estimation obtient-on alors ? De 2 à 3 masses solaires, ce qui est tout à fait acceptable et laisse même penser, compte tenu là aussi des incertitudes, que LB-1 pourrait même être... une étoile à neutrons !


Un trou noir de 68 masses solaires défie l'astrophysique

Article de Laurent Sacco publié le 30/11/2019

Les trous noirs stellaires connus jusqu'ici dans la Voie lactée ne dépassaient pas la quinzaine de masses solaires, en accord avec les théories expliquant leur formation par effondrement gravitationnel d'une étoile lorsqu'elle devient une supernova. Les astrophysiciens sont donc stupéfaits par la découverte d'un trou noir qui ne devrait pas exister puisqu'il contient environ 70 masses solaires.

Il y a 60 ans, la majorité des astrophysiciens et des physiciens relativistes ne prenaient pas au sérieux l'existence des étoiles effondrées gravitationnellement, issues des calculs de Robert Oppenheimer et ses collaborateurs à la fin des années 1930. Même John Wheeler, qui pourtant allait introduire à leur sujet le terme de « trou noir » et mener dans la décennie qui allait suivre les recherches sur ces astres compacts aux États-Unis, avait initialement des doutes. Mais tout comme son collègue russe Yakov Zeldovitch, des simulations sur ordinateurs conduites de part et d'autre de l'Atlantique allaient les faire changer d'avis.

Aujourd'hui, on a de bonnes raisons de penser qu'il existe au moins 100 millions de trous noirs stellaires dans la Voie lactée, donc issus de l'effondrement gravitationnel d'étoiles de plus de 8 masses solaires en fin de vie. En tout cas, c'est ce que nous dit la théorie de l'évolution stellaire et le fait qu'avec les progrès de l'astronomie X, depuis environ 50 ans, on a bel et bien détecté dans notre Galaxie des candidats au titre de trou noir stellaire. Il s'agit à chaque fois de la détection des émissions dans le domaine des rayons X d'un disque d'accrétion chaud entourant un astre compact dans un système binaire et alimenté en gaz par une étoile. Le premier trou noir de ce genre à être détecté est célèbre sous le nom de Cygnus X1.

On peut estimer la masse des trous noirs stellaires dans la Voie lactée, elle est ordinairement d'une dizaine de masses solaires (entre 5 et 15 pour être un peu plus précis), ce qui coïncide avec les estimations provenant des calculs décrivant la formation de ces trous noirs à partir d'une supernova. On comprend donc la surprise des astronomes qui viennent de publier un article dans le journal Nature faisant état de la découverte dans notre Galaxie d'un trou noir stellaire d'une masse estimée aux incertitudes près (+11/-13) à 68 masses solaires.

La physique des trous noirs, par Jean-Pierre Luminet. Conférence donnée au Collège de France en novembre 2015. © Jean-Pierre Luminet

Un trou noir détecté avec la méthode des vitesses radiales

LB-1, c'est son nom, fait partie d'un système binaire dont l'autre composante est une géante bleue de 8 masses solaires et qui se trouve à environ 15.000 années-lumière du Système solaire comme l'expliquent, dans un article sur arXiv, les membres de l'équipe internationale qui a fait sa découverte. C'est le fruit d'une campagne d'observations effectuant des mesures spectroscopiques dans le but de faire l'équivalent des détections d'exoplanètes par la méthode des vitesses radiales.

Ces observations ont été obtenues initialement avec le Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopic Telescope (c'est-à-dire Télescope spectroscopique multi-objets à fibres optiques grand champ) ou télescope Guo Shoujing, en abrégé Lamost, un télescope optique chinois de quatre mètres de diamètre. Deux autres grands télescopes sont ensuite entrés dans la danse pour préciser les données obtenues par les astronomes chinois, à savoir le Gran Telescopio Canarias del Roque de los Muchachos Observatory (La Palma), le fameux Grantecan, et aussi ceux avec des miroirs de 10 mètres de diamètre de l'observatoire W. M. Keck sur le mont Mauna Kea de l'île d'Hawaï.

La période orbitale de LB-1 est d'environ 79 jours et bien que l'on ne voit pas directement dans le visible le trou noir, il signale tout de même sa présence par les oscillations de son étoile compagne, ce qui provoque des décalages spectraux par effet Doppler, comme dans le cas d'une exoplanète, par exemple une Jupiter chaude, autour de son étoile hôte. En fait, cette méthode de détection d'un trou noir (avec les mouvements d'une étoile, pas par effet Doppler) conçu comme un astre invisible avait déjà été envisagée il y a plus de deux siècles par l'un des précurseurs de la théorie des trous noirs, le Britannique John Michell. L'astronome ignorait tout d'une possible émission dans le domaine des rayons X du disque d'accrétion d'un trou noir. En fait, l'astrophysique n'existait tout simplement pas à cette époque où les chercheurs ne disposaient que des méthodes de l'astrométrie, et de la mécanique céleste de Laplace et Lagrange pour ne citer que ces deux géants.

Accrétion de gaz sur un trou noir stellaire depuis une étoile bleue (impression d'artiste). © Yu Jingchuan, planétarium de Beijing, 2019

L'obstacle des supernovae à antimatière

Il y a quelques années, les astrophysiciens avaient déjà eu quelques surprises en déterminant les masses des trous noirs impliqués dans les émissions d'ondes gravitationnelles détectées par Virgo et Ligo. En fait, une énigme était apparue depuis la détection de GW150914, la première source ayant produit une onde gravitationnelle directement mise en évidence sur Terre grâce à Ligo. L'analyse du signal a montré que l'onde résultait de la collision accompagnée d'une fusion de deux trous noirs formant un système binaire avec, en ce qui concerne les estimations les plus probables des masses des deux trous noirs, respectivement 29 et 36 masses solaires. Déjà à cette époque, il était difficilement possible de rendre compte de trous noirs aussi massifs en utilisant la théorie conventionnelle de l'évolution stellaire. Depuis, quelques scénarios exotiques ont heureusement été proposés.

Dans le cas présent, l'énigme semble encore plus difficile à percer si l'on en croit les déclarations de Chris Belczynski, chercheur au Nicolaus Copernicus Astronomical Center « Le trou noir LB-1 semble impossible à expliquer... des étoiles suffisamment massives pour former un trou noir "monstre" de 70 masses solaires devraient être totalement détruites par des explosions de supernovae à instabilité de paires qui ne laissent que du gaz et de la poussière, et non des trous noirs ! ».

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