Les astronomes trouvent le trou noir le plus proche de la Terre, et il a une étoile compagnon semblable au Soleil

Les astronomes trouvent le trou noir le plus proche de la Terre, et il a une étoile compagnon semblable au Soleil

Les astronomes ont trouvé le candidat trou noir connu le plus proche de la Terre, une bête silencieuse près de dix fois plus massive que le Soleil à seulement 1 570 années-lumière de nous*. Il a été trouvé grâce aux bouffonneries de son compagnon stellaire semblable au Soleil, mais comment il est devenu un casse-tête [link to paper].

Il y a probablement cent millions de trous noirs dans notre seule galaxie, la Voie lactée, mais il est difficile de les trouver. Le moyen le plus simple est s’ils sont dans un système binaire avec une étoile compagne, et qu’ils sont suffisamment proches les uns des autres pour que la matière soit retirée de l’étoile et tombe dans le trou noir. Alors qu’il s’accumule à l’extérieur de That Last Big Step le matériau chauffe et émet beaucoup de rayonnement à haute énergieannonçant essentiellement l’existence du trou noir.

Mais si le trou noir est seul, ou est dans un binaire avec l’étoile en orbite plus loin, c’est tranquille, ce qui le rend difficile à détecter. Le problème avec les trous noirs, c’est qu’ils sont le noircomme ça ils ne peuvent être détectés que par leur immense gravité.

Pourtant, cela peut les révéler si les conditions sont réunies.

Dans le cas de ce nouveau, ils l’étaient. Mais même alors, c’est une découverte délicate.

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Oeuvre d’une étoile sur le point d’être déchirée par un trou noir de masse intermédiaire. Le matériau tombe dans le trou de manque, créant beaucoup de rayons X et permettant aux astronomes d’en apprendre beaucoup sur le trou noir. Crédit : ESA/Hubble, M. Kornmesser

Le vaisseau spatial Gaia est une mission de l’Agence spatiale européenne pour cartographier les emplacements de près de deux mille milliards étoiles. Il obtient non seulement leurs positions dans le ciel avec une précision phénoménale, mais il mesure également leurs mouvements et leurs couleurs.

Si deux étoiles tournent l’une autour de l’autre, alors chacune tracera une très petite ellipse dans le ciel. Dans la plupart des cas, ce mouvement physique est trop petit pour être vu, mais pour les systèmes binaires relativement proches avec une large séparation orbitale, Gaia peut repérer ce changement dans la position d’une étoile au fil du temps.

Il y a près de 170 000 étoiles binaires de ce type dans la base de données Gaia. Les astronomes ici ont recherché ceux avec un mouvement inhabituellement important – indiquant que l’une des étoiles est en effet très massive – mais où la lumière globale du système était plus faible que prévu. Les étoiles massives sont brillantes, donc si le mouvement du binaire indique que l’une est massive mais gravement sous-lumineuse, il pourrait s’agir d’un trou noir.

Ils ont trouvé une poignée de candidats prometteurs, mais après une analyse plus approfondie, ils n’en ont trouvé qu’un qui semblait solide : l’étoile Gaia DR3 4373465352415301632 – ils l’appellent Gaia BH1 (“Gaia Black Hole 1”) pour plus de commodité. C’est une étoile de la constellation Ophiuchus, avec des couleurs et une luminosité qui indiquent qu’elle ressemble beaucoup au Soleil, bien qu’un peu plus froide et moins massive. Gaia mesure directement sa distance via la parallaxe à 1 570 années-lumière de nous, ce qui est cohérent avec sa luminosité.

S’il n’y avait pas le fait que l’étoile forme une petite ellipse dans le ciel, ce serait complètement banal. Il n’y a pas d’autres étoiles à proximité qui pourraient lui être liées, pourtant elle est là, faisant des allers-retours dans le ciel avec une période de 185,6 jours.

Ils ont obtenu des spectres de l’étoile à l’aide de plusieurs télescopes terrestres différents et les ont utilisés pour mesurer le décalage Doppler de l’étoile alors qu’il tournait autour de son compagnon invisible. La vitesse de l’étoile est assez élevée, bien au-delà de cent kilomètres par seconde, indiquant que l’objet compagnon est en effet très massif. Ils trouvent qu’il a une masse de 9,8 ± 0,2 fois celle du Soleil, et c’est le clincher. Une étoile normale aussi massive serait phénoménalement brillante, plusieurs milliers de fois plus brillante que l’étoile semblable au Soleil, la submergeant complètement.

Le fait que l’objet soit très massif mais complètement noir n’est vraiment explicable que s’il s’agit d’un trou noir. Techniquement, ce n’est pas confirmé, nous devons donc l’appeler un candidat, mais compte tenu des données, je parierais une somme d’argent décente, c’est un trou noir.

Oeuvre montrant un trou noir silencieux sur un fond étoilé.  Crédit : NASA, ESA, D Coe, G Bacon (STScI)

Oeuvre montrant un trou noir silencieux sur un fond étoilé. Crédit : NASA, ESA, D Coe, G Bacon (STScI)

Oeuvre montrant un trou noir silencieux sur un fond étoilé. Le crédit: NASA, ESA, D Coe, G Bacon (STScI)

C’est aussi un système étrange. Nous connaissons d’autres trous noirs en orbite avec des étoiles normales, mais aucun n’est aussi largement séparé ; l’étoile est à peu près aussi loin du trou noir que Mars est du Soleil. C’est en fait un problème, en raison de la façon dont le trou noir s’est formé.

Il aurait d’abord été une étoile avec environ 20 fois la masse du Soleil, qui est un monstre puissant. Il aurait manqué de carburant dans son noyau après seulement quelques millions d’années après sa naissance, alors que l’étoile de masse inférieure était encore en passe de s’installer pour devenir elle-même une étoile normale. Alors l’étoile massive aurait gonflé en une énorme supergéante rouge, assez grand pour engloutir physiquement la plus petite étoile. C’est ce qu’on appelle le enveloppe commune phase d’un binaire. En général, les couches externes de l’étoile la plus massive sont éjectées par le mouvement de l’étoile de masse inférieure, et à leur tour les deux étoiles finissent par se rapprocher, bien que dans ce cas, la seconde soit probablement trop légère pour le faire efficacement.

Il est difficile d’obtenir une étoile aussi éloignée de ce scénario; normalement, ils ne seraient qu’à quelques millions de kilomètres l’un de l’autre. À un moment donné, l’étoile la plus massive explose en supernova, perdant de la masse, ce qui peut déplacer la deuxième étoile plus loin… mais pas énormément.

Il est possible qu’il y ait eu une troisième étoile dans le système, et cela pourrait jouer suffisamment avec les orbites pour expliquer le système, mais cette situation est capricieuse et a un ensemble restreint de paramètres pour fonctionner. Il est également possible que le système soit né dans un amas d’étoiles et que l’influence gravitationnelle des autres étoiles lors de passages rapprochés puisse introduire le binaire dans ce que nous voyons aujourd’hui.

La grande question est maintenant de savoir quelle est la fréquence des systèmes comme celui-ci ? L’un a déjà été vu dans une galaxie voisine – Kareem El-Badry, le chercheur principal sur l’article Gaia BH1, a également travaillé pour trouver celui-ci plus tôt, mais le fait que celui-ci soit proche de nous implique que des systèmes comme celui-ci sont courants. La galaxie mesure 120 000 années-lumière de diamètre, donc si ces choses sont rares, alors la plus proche étant si proche serait extrêmement improbable. S’ils sont communs, Gaïa en trouvera probablement plusieurs autres à l’avenir ; plus il observe les mêmes étoiles encore et encore, plus il lui est facile de détecter leurs mouvements.

Il est ironique que nous connaissions des milliers et des milliers de trous noirs dans des galaxies lointaines à des millions et des milliards d’années-lumière, car ils sont vraiment énormes et dégagent des quantités d’énergie vraiment immenses, mais la grande majorité des trous noirs dans notre propre galaxie nous sont totalement invisibles.

À présent. Ils sont invisibles à présent, mais nous nous améliorons tout le temps pour les trouver. Ils sont sombres, mais ils ne peuvent pas se cacher éternellement.

* Je note que c’est encore un très long chemin sur le plan humain — 15 quadrillion kilomètres ! — donc ce n’est pas un danger pour nous.

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