Les trous noirs sont sournois. Ils se cachent dans l’obscurité, n’émettant aucun rayonnement détectable, ce qui les rend très difficiles à trouver. Mais ils ont une faiblesse : ils sont des mangeurs extrêmement désordonnés. Cette propension a permis aux astronomes de mettre le doigt sur quelque chose d’insaisissable : le trou noir de poids moyen “chaînon manquant”.
Une colossale éruption de rayons X observée en 2006 était soupçonnée d’être le déversement d’un trou noir de masse intermédiaire – 50 000 fois la masse du Soleil – alors qu’il déchirait et dévorait une étoile. En éliminant une importante hypothèse concurrente, les chercheurs sont désormais sûrs d’être sur la bonne voie, ce qui n’est pas rien.
Les trous noirs sont mystérieux dans le meilleur des cas. Comme ils n’émettent pas de lumière, nous ne pouvons pas les voir et nous devons mesurer leurs propriétés en fonction de l’effet qu’ils ont sur leur environnement, qu’il s’agisse d’objets en orbite ou de matières qu’ils accrètent, un processus qui génère beaucoup de chaleur et de lumière.
Mais les trous noirs de masse intermédiaire font grimper la barre du mystère. En effet, si nous avons découvert des trous noirs de masse stellaire (jusqu’à 100 fois la masse du Soleil) et des trous noirs supermassifs (plus de 100 000 fois la masse du Soleil, bien qu’ils puissent être beaucoup plus gros), la catégorie intermédiaire s’est avérée extrêmement insaisissable.
Nous avons eu des indices de l’existence de trous noirs de masse intermédiaire, mais rien de concluant. Ce nouvel article, selon ses auteurs, constitue la meilleure preuve à ce jour.
Cette preuve repose sur une énorme éruption de rayons X appelée 3XMM J215022.4-055108 (ou J2150-0551 en abrégé). Si le spectacle lumineux dure depuis trois ans déjà, l’éruption a été détectée pour la première fois en 2006 par deux puissants télescopes spatiaux à rayons X : l’observatoire Chandra de la NASA et la mission XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission) de l’Agence spatiale européenne.
(NASA, ESA, et D. Lin (Université du New Hampshire)
En 2018, le physicien et astronome Dacheng Lin de l’Université du New Hampshire et ses collègues ont publié un article basé sur les observations de ces télescopes. L’éruption, concluaient-ils, était probablement le rayonnement émis lorsqu’un trou noir de masse intermédiaire dévorait une étoile.
Aujourd’hui, Lin et son équipe ont obtenu et analysé de nouvelles observations multi-longueurs d’onde provenant du XMM Newton et du télescope spatial Hubble. Et ils sont plus certains que jamais que c’est ce qui a provoqué l’éruption.
“Les trous noirs de masse intermédiaire sont des objets très insaisissables, et il est donc essentiel d’examiner attentivement et d’exclure les autres explications possibles pour chaque candidat”, a déclaré Lin. “C’est ce que Hubble nous a permis de faire pour notre candidat”
L’une des curiosités de J2150-0551 était son emplacement – pas au centre d’une galaxie, où l’on trouve normalement de grands trous noirs déchirant les étoiles. En fait, il semblait provenir d’un amas d’étoiles à la périphérie d’une galaxie lenticulaire située à 800 millions d’années-lumière.
Ce résultat est conforme à l’un des modèles de formation des trous noirs de masse intermédiaire, qui explique également pourquoi ils sont si difficiles à trouver.
Selon un article publié en 2004, la gravité d’un amas d’étoiles dense pourrait faire tomber les étoiles qui le composent vers le centre de l’amas, formant une étoile aussi massive que des milliers de soleils. Celle-ci s’effondrerait alors sous son propre poids, formant un trou noir de masse intermédiaire.
Mais comme il est extrêmement difficile de distinguer les étoiles individuelles en dehors de la Voie lactée, et encore plus de suivre leurs orbites, les trous noirs en dehors de la Voie lactée ne sont détectables que lorsque de la matière, telle qu’une étoile ou un nuage de gaz, tombe activement en leur sein.
Au moment où l’un de ces amas d’étoiles a créé un trou noir, il a nettoyé la zone située dans son champ gravitationnel, ce qui signifie qu’il n’y a plus de matière à proximité qu’il puisse dévorer, à l’exception d’une étoile errante rare et occasionnelle. C’est ce que les astronomes pensent être à l’origine de J2150-0551.
Il était encore possible que J2150-0551 soit quelque chose d’autre – une étoile à neutrons à l’intérieur de la Voie lactée qui se refroidissait après avoir été chauffée lors d’une explosion d’accrétion – et qui avalait la matière d’une autre étoile. Une explosion d’accrétion suffisamment importante pour provoquer ce réchauffement d’une étoile à neutrons n’avait pas été détectée dans le cadre d’un relevé complet du ciel qui aurait dû le faire, mais nous avions besoin d’une décision plus concluante.
Hubble a été pointé vers la zone du ciel dans laquelle J2150-0551 a été observée afin d’obtenir des images profondes et à haute résolution pour confirmer son emplacement. Ces observations ont confirmé que la lueur des rayons X n’émanait pas de la Voie lactée, mais de l’amas d’étoiles situé à 800 millions d’années-lumière.
Pendant ce temps, XMM Newton a obtenu d’autres observations en rayons X. “L’ajout d’observations supplémentaires en rayons X a permis d’améliorer la qualité des observations.
“L’ajout d’autres observations de rayons X nous a permis de comprendre la production totale d’énergie”, a déclaré l’astronome Natalie Webb de l’Université de Toulouse en France. “Cela nous aide à comprendre le type d’étoile qui a été perturbé par le trou noir”
Ces observations ont conduit les chercheurs à conclure que l’éruption a été causée par un trou noir de masse intermédiaire alors qu’il capturait, déchiquetait et accrétait une petite étoile de la séquence principale d’environ un tiers de la masse de notre Soleil, et d’environ 40 % de sa taille.
Ils ont également découvert que l’amas d’étoiles lui-même pourrait être le noyau d’une galaxie naine, dépouillée de la plupart de ses matériaux en raison des interactions gravitationnelles avec la plus grande galaxie qu’elle borde.
Cette découverte confirme que les amas d’étoiles orbitant autour de galaxies plus massives pourraient être un endroit privilégié pour trouver ces insaisissables trous noirs de masse intermédiaire.
Cette recherche a été publiée dans The Astrophysical Journal Letters.