Cela fait 50 ans qu'il fait l'objet de l'attention des astrophysiciens. Le premier candidat au titre de trou noir découvert dans la Voie lactée, Cygnus X-1, a été étudié à nouveau mais avec des télescopes X de dernière génération, notamment celui à bord du satellite de la Nasa Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (Ixpe). La polarisation des rayons X a révélé de nouveaux détails quant à l'environnement matériel entourant le trou noir que l'on peut considérer comme un micro-quasar avec ses jets de matière.

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La source de rayons X baptisée Cygnus X-1 est une légende dans le monde de l’astrophysique et de l’astronomie X. Elle avait fait l’objet d’un pari en 1975 entre rien de moins que Stephen Hawking et le prix Nobel de Physique Kip Thorne, pari que Hawking concédera avoir perdu en 1990.

C’est vers cette source de rayons X que, du 15 au 21 mai 2022, les astrophysiciens du XXIe siècle ont tourné le regard d’un des yeux de la noosphère sur orbite, le satellite Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE). Les photons X qu’il a collectés pendant cette période ont complété les informations que l’on pouvait déjà tirer de ceux collectés dans l’espace avec Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) et Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) en mai et juin 2022. Il en a résulté un article que l’on peut consulter sur arXiv.

Mais qu’est ce qui rend Cygnus X-1 si intéressante ?

C’est tout simplement la première candidate sérieuse au titre de trou noir stellaire détecté ! Alors, certes, le dernier mot n’est pas encore dit quant à l’existence des trous noirs mais, aujourd’hui, il est devenu très difficile de nier leur existence.

Rappelons qu’en tant que source X, Cygnus X-1 avait déjà été découverte en 1964 à l'aide de détecteurs à rayons X, en l’occurrence sous forme de compteur Geiger, à bord d'une fusée-sonde lancée depuis White Sands Missile Range au Nouveau-Mexique. On était alors encore à l’aube du développement de l’astronomie X qui avait débuté il y a environ 70 ans lorsqu’une fusée V2 avait emporté un détecteur pour observer le rayonnement du Soleil dans cette bande de longueurs d’onde.

Les rayons X étant facilement stoppés par l’atmosphère (mais pas par le milieu interstellaire, des rayons X de longueurs d'onde inférieures à un nanomètre pouvant traverser de part en part la Voie lactée), on savait que l’on ne pouvait pas observer ce rayonnement prédit théoriquement à partir de la détermination de la température très élevée du plasma de la couronne solaire (106 K) sans sortir de l’atmosphère.


Une présentation de l'Histoire de l'astronomie X. 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 ». © University of California Television (UCTV)

L'essor de l'astronomie X

Les astrophysiciens vont pouvoir se concentrer sur le cas de Cygnus X-1 à partir de l’année 1970 avec le lancement d’Uhuru (« liberté » en swahili), nommé ainsi pour remercier le Kenya qui hébergeait dans ses eaux continentales la plateforme d'où a été lancé le satellite, le 12 décembre, jour de l'anniversaire de l'indépendance du Kenya.

Ce fut une révolution avec la réalisation en quelques années de la première carte de la voûte céleste en rayons X et la découverte, ou l’étude plus précise, de plusieurs centaines de sources dont certaines sont devenues célèbres comme Centaurus X-3, le premier pulsar X découvert. Derrière ce succès, se trouvait le groupe du prix Nobel de physique italo-états-unien Riccardo Giacconi — décédé le 9 décembre 2018 à l'âge de 87 ans — qui avait découvert Scorpius X-1 en 1962, la première source connue de rayons X en dehors du Système solaire.

En avril-mai 1971, les radiostronomes Luc Braes et George K. Miley, de l'Observatoire de Leiden, et indépendamment, Robert M. Hjellming et Campbell Wade, de l'Observatoire national de radioastronomie, vont réussir à préciser la position sur la voûte céleste de Cygnus X-1 grâce à ses émissions radio. On découvre alors que la source X est clairement associée à une supergéante bleue, l’étoile HDE 226868 située dans la constellation du Cygne à environ 6 000 années-lumière du Système solaire. La surface d’une telle étoile n’est pas assez chaude pour produire le rayonnement X observé et, depuis les observations de Uhuru, on sait que ce rayonnement fluctue si rapidement que les lois de la physique impliquent que sa source doit se trouver dans un corps céleste dont la taille ne peut guère dépasser la centaine de kilomètres.


Des explications sur la polarisation de la lumière étudiée avec Ixpe. 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 Marshall Space Flight Center

Un trou noir de 21 masses solaires

Louise Webster et Paul Murdin, à l'Observatoire royal de Greenwich, et Charles Thomas Bolton, travaillant indépendamment à l'Observatoire David Dunlap de l'Université de Toronto, montrent alors en 1972 que HDE 226868 oscille sous l’effet de l’attraction gravitationnelle d’un astre compact comme le fait une étoile avec une exoplanète en orbite, ce qui se traduit par un effet Doppler variable permettant de remonter à la masse du corps invisible autrement qu’en rayons X.

On aboutit finalement pour Cygnus X-1 au schéma suivant. Il s’agit d’une étoile binaire avec HDE 226868 qui est âgée d’environ 5 millions d’années seulement selon la théorie de l’évolution stellaire. De la matière en est arrachée par des forces de marée d’un astre compact contenant environ 21 masses solaires orbitant à 20 % de la distance Terre-Soleil de HDE 226868 et qui doit être le produit de l’explosion en supernova d’une étoile âgée, elle aussi, de 5 millions d’années tout au plus, ce qui implique qu’elle devait contenir, avant son effondrement gravitationnel et l’éjection de matière causée par son explosion, plus de 40 masses solaires. Aucune loi de la physique connue ne peut décrire un objet de 21 masses solaires, contenu dans un volume de 100 km, sans aboutir à la conclusion qu’il s’agit d’un trou noir décrit par les équations de la relativité générale d’Einstein.

Hawking et Thorne étaient déjà certains à 80 % qu’il devait bien en être ainsi déjà en 1975 mais, ayant consacré tellement de son temps au développement de la théorie des trous noirs, Hawking voulait être sûr qu’il n’avait pas tout perdu si l'on finissait par découvrir que les trous noirs n’existaient finalement pas.

Cette illustration montre le système Cygnus X-1, situé à environ 6 000 années-lumière de la Terre. Le trou noir est représenté au centre et son étoile compagne, à gauche. L'immense gravité du trou noir arrache la matière de l'étoile, formant un disque appelé disque d'accrétion autour du trou noir. © John Paice
Cette illustration montre le système Cygnus X-1, situé à environ 6 000 années-lumière de la Terre. Le trou noir est représenté au centre et son étoile compagne, à gauche. L'immense gravité du trou noir arrache la matière de l'étoile, formant un disque appelé disque d'accrétion autour du trou noir. © John Paice

Un micro-quasar laboratoire

Cygnus X-1, en tant que source X, doit être le disque d’accrétion de matière provenant de la supergéante bleue tombant en spirale vers l’horizon des événements du trou noir, s’échauffant à cause du frottement visqueux entre les spirales du disque et devenant pour cette raison un plasma à plusieurs millions de degrés et donc capable d’émettre des rayons X. Une sorte d’équivalent de la couronne solaire doit aussi exister au-dessus du disque et c’est la géométrie de ce plasma qui est aujourd’hui précisée par la collaboration internationale entre la Nasa et l'Agence spatiale italienne (ASI) derrière la mission Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE).

La polarisation de la lumière est sensible à l’état du champ magnétique dans la région où elle se propage et le rayonnement X de l’accrétion permet ainsi de remonter à l’état du champ magnétique et donc des courants et du plasma qui le génèrent. On obtient ainsi notamment des informations précieuses sur le mécanisme d’accélération des particules formant les jets de matière associés à Cygnus X-1.

Comme il existe des similitudes entre les émissions X de Cygnus X-1 et celles des noyaux actifs de galaxies avec ces jets, Cygnus X-1 est membre d’une classe d'objets appelés micro-quasars, un analogue des quasars. Toute étude du système binaire HDE 226868/Cygnus X-1 peut donc conduire à de nouvelles connaissances sur les mécanismes derrière les galaxies actives.

Dans le cas présent, il semble maintenant que les nouvelles observations indiquent déjà que l’on voit le disque de Cygnus X-1 beaucoup plus par la tranche qu’on ne le pensait et que la couronne de plasma soit en fait une sorte de sandwich entourant le disque d’accrétion, soit qu’elle occupe plutôt la région centrale entre le disque et l’horizon des événements du trou noir.