Ces dernières années, il y a eu d’importants progrès dans l’étude des trous noirs. Les premières détections d’ondes gravitationnelles ont permis de savoir de quelle façon ils fusionnent, une preuve supplémentaire de leur existence. En avril 2019, la première image de l’horizon des événements d’un trou noir a été révélé par l’Event Horizon Telescope. Alors qu’il y a 100 ans on commençait à envisager leur existence théorique, on est aujourd’hui certains de la réalité physique des trous noirs.
Mais on aurait tort de croire qu’on a maintenant tout compris de ces monstre cosmiques. On ne verra jamais ce qui se passe derrière l’horizon des événements d’un trou noir et on n’est toujours pas sûr de la taille qu’ils peuvent atteindre ou de leurs différents mécanismes de formation.
Détection du plus petit trou noir à ce jour
Une équipe de chercheurs américains vient de découvrir le plus petit trou noir que l’on ait détecté, un trou noir de 3,3 masses solaires environ. D’habitude, les trous noirs sont découverts grâce aux puissantes émissions en rayons X, rayons gamma ou rayons radio de leur disque d’accrétion. Mais les petits trous noirs absorbent probablement moins de matière et restent donc invisibles à cause de leur rayonnement.
Ce mini trou noir a été détecté d’une manière différente. Il a été découvert car il fait partie d’un système double. C’est son influence gravitationnelle sur l’étoile qui l’accompagne qui a permi de le détecter. Les chercheurs ont ainsi découvert que cette étoile a des variations importantes de vitesse radiale, ce qui est le signe qu’elle est engagée dans une valse gravitationnelle avec un autre objet.
Une méthode de détection empruntée aux chasseurs d’exoplanètes
D’habitude, cette technique est utilisée pour détecter des exoplanètes mais ici l’objet responsable de cette influence gravitationnelle est bien trop massif pour être une planète. Il est cependant complètement invisible dans toutes les parties du spectre lumineux, ce qui signifie que ce n’est pas non plus une étoile. C’est ce qui a permis d’en déduire la présence d’un trou noir de faible masse.
Cette découverte est importante car elle nous indique que nos méthodes de détection nous cachent peut-être la présence de très nombreux trous noirs. Tous les trous noirs qui interagissent trop faiblement avec la matière environnante ne peuvent pas être détectés par le rayonnement de cette matière. Dans ce cas, de nouvelles méthodes de détection centrées uniquement sur l’influence gravitationnelle des trous noirs pourraient aider à mieux les recenser.
Des trous noirs encore plus petits ?
Trouver des trous noirs de petite taille est aussi une façon de mieux comprendre les étoiles massives et les supernovas, qui donnent naissance à des trous noirs ou s’effondrent en étoile à neutrons. Typiquement, les trous noirs stellaires ont une masse supérieure à cinq fois celle du soleil. Les étoiles à neutrons font rarement plus de 2,9 masses solaires. Entre ces deux masses, la frontière était floue jusqu’à la découverte de ce mini trou noir de 3,3 masses solaires. On ne sait pas encore si on parviendra à découvrir des trous noirs encore plus petits.
Un minuscule trou noir dans le système solaire ?
Depuis cinq ans, certains astronomes ont émis l’hypothèse de l’existence d’une neuvième planète dans le système solaire. Ils appuient cette prédiction sur l’observation des trajectoires de certains objets transneptuniens. Ces petits planétoïdes orbitent le soleil à très grande distance, bien plus loin que Neptune ou même Pluton. Leurs orbites sont fortement elliptiques, comme si elles avaient été perturbées par un objet massif. Or ils passent trop loin de Neptune pour que cette planète soit considérée comme responsable.
C’est ce constat qui a mené un groupe de chercheurs à envisager un autre perturbateur orbital, une planète inconnue évoluant à très grande distance du soleil et environ 10 fois plus massive que la Terre. Depuis que cette hypothèse a été émise en 2014, de nouveaux objets transneptuniens extrêmes ont été découverts. Ils ont tous des orbites elliptiques mais on n’a toujours pas découvert de planète 9. L’objet est peut-être trop difficile à observer car très lointain et très sombre, ou peut être qu’il n’existe pas.
On peut en effet imaginer d’autres mécanismes pour expliquer les orbites des transneptuniens extrêmes. La semaine dernière, deux chercheurs britanniques et américains ont avancé une solution différente à ce problème. Le perturbateur des transneptuniens extrêmes pourrait être un trou noir. L’hypothèse est osée car elle s’appuie sur l’existence d’un type de trou noir qui n’a jamais encore été détecté. En effet, pour coller aux orbites observées des transneptuniens, ce trou noir devrait avoir une masse de cinq à dix fois celle de la Terre, ce qui est bien trop peu pour un trou noir. Ce trou noir ne se serait donc pas formé suite à l’effondrement du coeur d’une étoile massive. La seule possibilité qui reste et qu’il s’agirait d’un trou noir primordial.
Ce type d’objets dont l’existence est complètement hypothétique se serait formé au tout début de l’univers. La matière était alors tellement dense qu’elle aurait pu localement s’effondrer pour former les premiers trous noirs, qui pourraient être immenses ou minuscules en fonction de l’instabilité dont il seraient issus. Les trous noirs primordiaux sont l’un des candidats pour expliquer la matière noire. Ils pourraient en effet être extrêmement nombreux mais aussi incroyablement difficiles à détecter s’ils sont de petite taille. S’il existe, le trou noir qui se promène autour du soleil ferait par exemple la taille d’une grosse balle de ping pong.
L’hypothèse d’un trou noir primordial résout cependant certaines questions soulevées par l’hypothèse d’une neuvième planète. Si on admet qu’une neuvième planète évolue 20 fois plus loin du soleil que Neptune, il faut expliquer ce qu’elle fait là. Les régions aussi éloignées d’une étoile ne sont pas propices à la formation planétaire. Il pourrait s’agir d’une planète errante capturée au cours de l’histoire du système solaire. Mais un trou noir primordial rentrerait tout aussi bien dans ce cadre.
Là où la nouvelle hypothèse devient intéressante, c’est qu’elle propose de nouvelles stratégies de recherche. On ne détecte pas une planète ou un trou noir de la même manière. Un trou noir primordial pourrait en effet émettre un rayonnement détectable par les observatoires spatiaux FERMI ou Chandra. Bien entendu, il peut tout aussi bien s’agir d’une nouvelle chimère. Notre système planétaire ne comporte peut être ni neuvième planète ni trou noir primordial. Il va cependant quand même falloir trouver une explication convaincante à l’orbite des transneptuniens extrêmes.
Le trou noir au centre de la galaxie NGC 3147 défie les modèles créés par les astronomes
— Actualités du 16 juillet 2019 —
En avril 2019, la première image de l’horizon des événements d’un trou noir a été révélé. On peut voir un disque brillant entourant une zone d’ombre centrale. On aimerait pouvoir distinguer plus de détails de ce disque d’accrétion et de ses bordures, mais cette première image nous permet au moins d’affirmer que la relativité générale semble très bien fonctionner pour décrire ces objets célestes. On pourrait presque croire qu’on commence doucement à comprendre les trous noirs, mais l’univers est toujours plein de surprises.
Grâce au télescope spatial Hubble, une équipe d’astronomes vient d’observer le centre de la galaxie NGC 3147 située à environ 130 millions d’années-lumière de chez nous. Autour de ce qui doit être son trou noir central, ils ont détecté un disque très fin en rotation rapide, à près de 10% de la vitesse de la lumière. Le problème est que si on en croit nos modèles, ce disque ne devrait pas exister.
NGC 3147 est une galaxie peu active, son trou noir central n’a donc pas grand chose à avaler. Normalement, dans ce type de scénario on s’attendrait à ce que les disques d’accrétion prennent une apparence bouffie, comme un gros donut autour du trou noir. C’est exactement le modèle que les astronomes espéraient confirmer en menant cette observation. A la place, ils ont découvert ce qui semble être un disque très fin, un scénario qu’on a l’habitude de voir dans des galaxies au moins mille fois plus brillantes.
De toute évidence, il va falloir réviser la manière dont on conçoit les disques d’accrétion des trous noirs supermassifs dans les galaxies diffuses. En attendant, le trou noir de NGC 3147 offre une fantastique opportunité de tester la relativité restreinte et la relativité générale. Le disque d’accrétion semble ancré tellement profondément dans le puits gravitationnel du trou noir que la lumière peine à s’en échapper. A l’aide du spectrographe d’Hubble, les astronomes ont pu analyser cette lumière. Elle nous apparaît beaucoup plus lumineuse dans une partie du disque que dans l’autre.
Cela n’est pas dû à une répartition inégale de la matière, c’est un effet qui avait été prédit par la relativité restreinte. La source de la lumière est en mouvement très rapide. Les photons qu’on observe subissent donc un décalage vers le rouge ou le bleu par effet Doppler selon que leur source se rapproche ou s’éloigne de nous, ce qui nous donne l’impression qu’une partie du disque d’accrétion du trou noir est plus lumineuse que l’autre. C’était aussi le cas sur l’image de trou noir produite par l’Event Horizon Telescope.
L’ensemble de la lumière qui nous parvient du disque d’accrétion est par ailleurs fortement décalé vers le rouge. C’est un indicateur de sa grande proximité avec le trou noir et de la difficulté qu’elle a eu à échapper à son pouvoir d’attraction. A défaut de bien comprendre les disques d’accrétion des galaxies diffuses, on peut au moins confirmer que la 94 relativité et le bon outil pour se pencher sur la question. L’équipe d’astronomes espère maintenant observer d’autres disques d’accrétion très compacts entourant des trous noirs supermassifs de galaxies peu actives pour peut-être pouvoir mettre à jour leurs modèles de formation.
La première image d’un trou noir va être révélée demain
— Actualités du 9 avril 2019 —
Demain, le projet Event Horizon Telescope va enfin révéler soit l’image de Sagittarius A*, soit l’image d’un trou noir supermassif qui occupe le centre de la Voie Lactée.
On a peut-être vu naître un trou noir ou une étoile à neutrons !
— Actualités du 15 janvier 2019 —
En juin 2018, les astronomes du monde entier ont pu observer une gigantesque explosion qui a eu lieu à environ 200 millions d’années-lumière dans la constellation d’Hercule. Quelques semaines plus tard, l’objet avait perdu une grande partie de sa luminosité. Depuis, les hypothèses s’accumulent pour tenter d’expliquer la nature exacte de cet événement cosmique. S’agit-il d’une supernova particulièrement puissante, d’une naine blanche brutalement disloquée par un trou noir, d’un magnétar ou d’un sursaut gamma ?
L’objet a été nommé AT2018COW. Il est apparu beaucoup plus brillant qu’une supernova habituelle, et surtout il s’est allumée et apaisée en un temps record. Il a suffit de quelques jours pour qu’il monte à son pic de luminosité et 16 jours supplémentaires pour perdre une grande partie de sa luminosité.
Une équipe internationale en collaboration avec l’observatoire Keck pense maintenant connaître la source de cet événement. Ils ont combiné des observations en rayons X, en lumière visible, en infrarouge et en ondes radio de plusieurs observatoires. Cela a permis de se rendre compte que cet événement cataclysmique a propulsé de la matière à près de 10% de la vitesse de la lumière, et ont découvert ce qui se cachait au coeur de cette explosion. Ils sont presque certains que l’explosion observée pendant l’été 2018 est la formation d’un trou noir ou une étoile à neutrons.
C’est la première fois qu’un tel événement peut être suivi pratiquement en direct. Les trous noirs et les étoiles à neutrons se forment à la mort d’une étoile géante. Quand le carburant thermonucléaire s’épuise, le coeur de ces étoiles s’effondre en un instant sous l’effet de sa propre gravité. Les couches externes de l’étoile sont soufflées dans une gigantesque explosion et il ne reste au centre qu’un objet de très grande densité, une étoile à neutrons ou dans les cas les plus extrêmes un trou noir.
On ne sait pas encore lequel de ces deux objets est né au coeur de AT2018COW mais il s’agit de l’opportunité idéale pour plonger dans la physique complexe qui accompagnent leur naissance. En général, quand on observe une étoile à neutrons, elle est au mieux déjà âgée de quelques centaines d’années.
Les observations de AT2018COW ont été facilités par plusieurs facteurs : tout d’abord l’explosion a expulsé beaucoup moins de matière que lors de la mort d’une étoile massive typique. Avec dix fois moins de débris devant leurs télescopes, les astronomes ont pu directement observer le rayonnement de l’objet central. D’autre part, 200 millions d’années-lumière est une petite distance à l’échelle cosmique. Avec un peu de chance, d’autres objets similaires seront découverts.
L’observation de AT2018COW est un exemple saisissant de l’importance de plus en plus grande des réponses rapides en astronomie. Beaucoup des événements les plus intéressants de l’univers sont éphémères. Pour pouvoir les observer dans les meilleures conditions, il faut donc mobiliser très rapidement des observatoires avant que ces événements ne se terminent. On sait par exemple à quel point ce temps de réponse rapide est important pour identifier des contreparties optiques aux détections d’onde gravitationnelles. C’est un nouvel axe de progrès pour les observatoires du monde entier qui n’implique pas de meilleurs instruments mais une meilleure organisation et une collaboration accrue. C’est la condition nécessaire pour 140 pouvoir plonger au coeur des événements les plus violents de l’univers.
Les trous noirs disparaitront après les étoiles et des galaxies
— Actualités du 4 novembre 2018 —
Stephen Hawking a fait la prédiction que les trous noirs peuvent s’évaporer et donc disparaître. En bordure de leur horizon des événements, un rayonnement devrait se former le rayonnement de Hawking. Ce rayonnement cannibaliserait la masse d’un trou noir jusqu’à son évaporation complète. Il s’agit cependant d’un rayonnement extrêmement faible. Le processus d’évaporation serait donc très long pour la plupart des trous noirs. Il commencerait réellement quand l’univers sera lui-même très âgé et froid. Les trous noirs pourraient alors émettre plus de rayonnements qu’ils n’absorbent et commencer ainsi à perdre de la masse.
Pour un trou noir de la masse du soleil, il faudrait autour de 1064 années pour une évaporation totale. Les trous noirs les plus massifs de l’univers pourraient nécessiter jusqu’à 10106 années pour s’évaporer. Ce sont des chiffres tellement énormes qu’il sont presque impossibles à se représenter. Si Stephen Hawking a eu raison, bien après que toutes les étoiles se seront éteintes et que toutes les galaxies auront disparues, l’univers sera dominé par des trous noirs s’évaporant lentement. Ils finiront eux aussi par disparaître, laissant un grand vide parcouru de quelques particules.
Image by ESO
Sources
