Le 6 mai 2020, la revue Astronomy & Astrophysics a mis sous le feu des projecteurs une découverte prometteuse des chercheurs de l’ESO (European Southern Observatory). Celle de l’existence d’un trou noir de faible masse et inactif au sein de notre galaxie, à seulement 1 011 années-lumière de la Terre — à titre de comparaison, le centre de la Voie Lactée est à plus de 26 000 années-lumière. HR 6819 s’élève désormais au rang du plus proche trou noir de notre système solaire jamais détecté.
Photo du système triple HR 6819 (à gauche). Il est localisé dans la constellation du Télescope, indiqué d’un cercle rouge sur la carte du ciel (à droite). Crédit : ESO/IAU/Sky & Telescope.
Bien loin de se douter qu’elle décèlerait un nouveau trou noir (n.d.l.r TN), l’équipe d’astrophysiciens de l’ESO s’était penchée sur l’étude de HR 6819 dans le cadre de leurs recherches sur les systèmes binaires d’étoiles. Considéré comme un duo stellaire depuis 2003, l’analyse des observations du télescope de 2,2 mètres MPG-ESO, à l’Observatoire La Silla (Chili), a pourtant révélé une troisième contributrice. En effet, au-dessus des yeux ébahis des scientifiques, le corps méconnu s’est avéré être un TN stellaire, et qui plus est inactif !
Il était une fois une étoile … puis un trou noir stellaire
Les TN dits stellaires se caractérisent par une masse de cinq à cinquante fois celle du Soleil et se forment suite au dernier souffle d’une étoile massive. L’appellation “étoile massive” sous-entend bien une étoile plus massive que le Soleil — à partir de 8 M? (masses solaires) —, ce qui définit à la fois sa longévité et le scénario de sa fin de vie. Au bout de plusieurs dizaines de millions d’années, ces étoiles achèvent leur existence en une seconde. L’effondrement des différentes enveloppes de l’étoile — arrivée au stade de supergéante — provoque une onde de choc connue sous le nom de supernova de type II. De cet évènement cataclysmique peut alors résulter soit une étoile à neutrons (n.d.l.r. EN), soit un TN (pour des étoiles de 25 M? ou plus).
L’évolution stellaire d’une protoétoile (i.e. étoile qui vient de naître) dépend de la masse qu’elle a pu agglomérer localement dans une nébuleuse avant sa naissance. Plus l’étoile est massive, plus sa durée de vie est courte. Crédit : BiologyForums.
Bien que ridicule devant les millions de masses solaires de Sgr A* localisé au centre de la Voie Lactée (d’où le qualificatif supermassif), le TN stellaire ne faillit néanmoins pas à sa réputation d’objet compact. Pour se faire une idée de sa densité, si la masse du TN correspondait à celle de notre Soleil, alors il mesurerait trois centimètres de diamètre.
Deux étoiles cohabitant avec un petit trou noir voisin
Le système HR 6819 (connu aussi sous les dénominations HIP 89605, HD 167128, ou encore QV Tel) est visible à l’oeil nu depuis l’hémisphère Sud, par nuit noire et ciel dégagé. En 2009, les astronomes Hadrava, Štefl et Rivinius avaient percé l’existence d’un troisième corps mais sans conclure formellement sur la nature de l’objet en question. Cette interrogation a été finalement tranchée grâce au spectrographe FEROS qui a su discerner la configuration de HR 6819.
Représentation artistique du système HR 6819. Crédit : Dan Michaux/Journal Alma Mater.
Le système se compose donc de deux étoiles bleues très chaudes (en anglais early-types), l’une de type spectral Be et l’autre plus classique de type B3 III. L’étoile B3 III dessine un cercle autour d’un objet invisible avec une période de quarante jours (orbite interne), tandis que l’Les astrophysiciens pensent possible que le TN se soit formé directement par effondrement gravitationnel, autrement dit sans supernova. Pour ce qui adviendra du système HR 6819, en raison de la faible masse des deux étoiles et de leur distance au TN, ni second TN ni EN ne pourra se former dans ce système. Dans la littérature, les systèmes triples sont évoqués comme des progéniteurs de système binaires, soit double TN, soit TN + EN, après une fusion selon le processus des oscillations de Lidov-Kozai. Autre constat qui appuie l’originalité de la découverte puisqu’ici il est question d’un système binaire TN + étoile de type B3 III.
Infographie expliquant comment un système à trois corps peut devenir un système binaire. Crédit : Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine.
Double record : « une pierre deux coups »
Le TN de HR 6819 demeure indétectable en rayons-X comme en optique et aucun signe de transfert de matière ne transparaît. En ajoutant à cela l’absence d’activité stellaire de B3 III, il n’existe donc pas d’interactions dans le binaire interne. En effet, les vents radiatifs de l’étoile sont intrinsèquement très faibles et sont sans effet à la distance où se trouve le TN (le duo est séparé d’environ trente-quatre millions de kilomètres, soit 1/5 de la distance Terre-Soleil). Le TN paraît alors inactif puisqu’il n’accrète pas de matière et est bien plus difficilement perceptible par les instruments.
L’ancien record de proximité entre un TN — toute catégorie confondue — et la Terre était détenu par le TN stellaire V616 Mon (aussi appelé 1A0620-00) en 2009. Il se situe à 3 460 années-lumière et possède un disque d’accrétion (i.e. actif). Ainsi, non seulement HR 6819 franchit un nouveau record, mais s’inscrit parallèlement comme le premier TN stellaire inactif jamais détecté.
Rencontre impromptue entre la Terre et HR 6819. Crédit : Florentine Daudenthun/Journal Alma Mater.
Un tour d’horizon sur les détections
Les modèles prédisent qu’une galaxie possèderait entre des centaines de millions et des milliards de TN stellaires. Pourtant jusqu’à présent les télescopes n’ont pu en révéler qu’à peine une centaine (parmi eux seulement une douzaine dans la Voie Lactée) et tous actifs. Comme les TN correspondent à des régions invisibles de l’Univers — où ni lumière ni matière peuvent en sortir —, l’astuce pour les détecter est de sonder les environs à la recherche d’une étoile prisonnière de leur champ gravitationnel. Historiquement, jusqu’au milieu du XXème siècle les TN ne constituaient qu’une prédiction mathématique poussée de la relativité générale d’Einstein. C’est en 1971 que le premier trou noir a pu être détecté (Cygnus X1). En pratique, les TN les plus facilement détectables sont ceux qui sont en train d’engloutir les couches externes de son étoile compagnon et l’accrétion de cette matière provoque des émissions en rayons X. Toutefois, l’étude de l’orbite d’une étoile permet également de trahir la présence d’un TN.
Vue d’artiste d’un trou noir stellaire en train d’engloutir les couches externes de son étoile compagnon. Un disque d’accrétion de matière s’est ainsi formé autour de lui, induisant des rayons X détectables. Crédit : Sylvain Chaty/IAP.
Les astronomes estiment qu’il y a fort plus qu’une douzaine de TN stellaires dans la Voie Lactée. En effet, comme la galaxie de notre système solaire est âgée d’environ 13,5 milliards d’années, une certaine quantité d’étoiles massives ont eu le temps de s’effondrer depuis. La communauté suspecte l’existence d’une importante population de trous noirs “silencieux” inférieurs à la dizaine de masses solaires. En particulier, la détection de HR 6819 « devrait nous mettre en meilleure position pour les trouver », confie Thomas Rivinius. Le co-auteur de la publication Dietrich Baade ajoute que « trouver un trou noir dans un système triple si proche [de nous] indique que nous ne voyons que la pointe d’un iceberg passionnant ».
Les conséquences de cette découverte inédite
D’ici les prochaines années, des détections similaires s’accumuleront : « Probablement que beaucoup d’autres de ces systèmes [triples] existent. En les trouvant et en les étudiant, nous pouvons en apprendre beaucoup sur la formation et l’évolution de ces rares étoiles qui commencent leur vie avec une masse supérieure à huit fois celle du Soleil et qui se terminent par une explosion de supernova, laissant derrière elle un trou noir », explique Marianne Heida, aussi co-auteur de l’article.
Les découvertes de ces systèmes triples avec une paire interne et une étoile distante pourraient également fournir des indices sur les violentes fusions cosmiques qui libèrent des ondes gravitationnelles suffisamment puissantes pour être détectées par des interféromètres. Par exemple, le corps extérieur plus distant peut avoir un impact gravitationnel sur la paire intérieure, de telle manière à ce qu’il puisse déclencher une fusion et la libération d’ondes gravitationnelles.
Margaux ABELLO
illustrateur : Florentine DAUDENTHUN
Pour des explications détaillées sur le fonctionnement des trous noirs, lire “Un trou noir surpris en train d’expulser de la matière, à plus de 99% de la vitesse de la lumière !”. Article à retrouver dans le dossier Invisible, disponible sur le site à compter du 20 mai 2020.
Glossaire des abréviations : TN = Trou noir EN = Etoile à neutrons M? = Masse solaire
Sources :
Articles de presse française
- Ciel & Espace : https://www.cieletespace.fr/actualites/decouverte-du-trou-noir-le-plus-proche-de-la-terre
- Sciences et Avenir : https://www.sciencesetavenir.fr/espace/voie-lactee/decouverte-du-trou-noir-le-plus-proche-de-nous_144084
- Le Monde : https://www.lemonde.fr/passeurdesciences/article/2020/05/06/decouverte-du-trou-noir-le-plus-proche-de-nous_6038853_5470970.html
- Le Parisien : http://www.leparisien.fr/sciences/un-nouveau-trou-noir-le-plus-proche-de-la-terre-a-ete-decouvert-06-05-2020-8311959.php
- France Culture : https://www.franceculture.fr/emissions/la-question-du-jour/quelles-avancees-dans-la-decouverte-de-nouveaux-trous-noirs?utm_medium=Social&utm_source=Facebook&fbclid=IwAR2KwuoQz3VI2ESzcGkSaQ7AcNz3d2byD6d9SOvPo0TNhjjLKp_666uqqtA#Echobox=1589013315
Articles de presse anglaise
- ESO : https://www.eso.org/public/news/eso2007/
- Science Magazine : https://www.sciencemag.org/news/2020/05/astronomers-find-closest-black-hole-earth-hiding-plain-sight