La présence d'un étonnant trou noir a été détectée : sa masse est plus petite que ce que l'on croyait possible. Sa découverte laisse penser qu'il existe probablement une catégorie de trous noirs méconnue.

Une nouvelle catégorie de trous noirs vient peut-être d’être découverte. Une étude publiée le 1er novembre 2019 dans la revue Science laisse entendre que la communauté scientifique ignorait jusqu’à présent l’existence d’un type de trous noirs, encore plus petits que les plus petits déjà connus.

Les auteurs de cette nouvelle étude ont découvert « la présence d’un trou noir qui ne consomme actuellement aucune matière ». Ce trou noir représente 3,3 masses solaires. Ils en déduisent qu’il existe certainement « une population de trous noirs cachés », que les observations à l’aide de rayons X n’auraient pas permis de repérer.

Une représentation du trou noir découvert par les astrophysiciens. // Source : Ohio State image by Jason Shults

Quelle est la masse des trous noirs ?

Un trou noir est une région de l’espace dense : son champ gravitationnel est si intense qu’aucune matière happée par le trou noir ne peut s’en échapper, pas même la lumière. La communauté scientifique s’accorde pour dire qu’il existe des trous noirs stellaires (entre 10 et 24 masses solaires) et supermassifs (au moins un million de masses solaires) — des indices de l’existence de trous noirs intermédiaires ont aussi été avancés. La plupart des trous noirs se forment lorsqu’une grande étoile arrive en fin de vie et devient ce qu’on appelle une supernova. Certaines étoiles ne sont pas assez massives pour se changer en trou noir (le Soleil ne pourrait pas se transformer en trou noir, par exemple) et deviennent alors des étoiles à neutrons. On estime qu’une étoile à neutrons ne peut pas dépasser 2,5 masses solaires (sinon, on assisterait à la formation d’un trou noir), rappelle un communiqué annonçant la publication de l’étude.

L’identification d’une potentielle nouvelle catégorie de trous noirs pourrait aider les scientifiques à mieux étudier quelles sont les étoiles qui évoluent en trou noir et celles qui ne le font pas. Si une famille de petits trous noirs a bien été ignorée par les chercheurs jusqu’à présent, sa découverte pourrait changer la manière dont la communauté scientifique étudie les trous noirs en général. Cela signifie que les scientifiques auraient étudié les trous noirs sans avoir une vision d’ensemble de ces objets, en excluant sans le savoir une catégorie entière de trous noirs.

Le compagnon invisible d’une étoile

Pour détecter les trous noirs situés dans des systèmes binaires, les scientifiques se servent généralement des rayons X émis par ces objets en train d’avaler de la matière. Dans cette étude, les scientifiques ont étudié une étoile géante rouge qui semblait avoir un compagnon. « L’objet compagnon doit peser plus de 2,6 masses solaires mais il n’émet aucune lumière, y compris les rayons X », ont constaté les scientifiques. C’est pourquoi ils ont soupçonné que ce compagnon invisible était certainement un trou noir de masse relativement faible.

Une représentation d’un trou noir. // Source : NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman (photo recadrée, modifications Numerama)

Afin de repérer ce trou noir caché, les auteurs ont utilisé APOGEE (« Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment »). C’est un programme du Sloan Digital Sky Survey, un relevé des objets célestes à l’aide d’un télescope de l’observatoire d’Apache Point situé au Nouveau-Mexique. Les scientifiques ont recherché des systèmes binaires formés par des étoiles et des « compagnons invisibles massifs ». À l’aide du spectrographe TRES (« Tillinghast Reflector Echelle Spectrograph ») et des données du satellite Gaia, ils ont pu estimer qu’ils semblaient bien avoir trouvé un trou noir de taille plutôt modeste.

Cette découverte « ouvre un nouveau champ d’études », estime Todd Thompson, professeur d’astronomie à l’université d’État de l’Ohio et co-auteur de l’étude, cité dans le communiqué qui accompagne la publication des travaux. Ce petit trou noir montre que les scientifiques ont encore des choses à apprendre sur ces mystérieux objets célestes. Récemment, un trou noir qui n’était pas censé exister a pourtant été détecté au centre d’une galaxie.

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