Hubble découvre la meilleure preuve de l’existence d’un trou noir de taille intermédiaire

De nouvelles données issues du Télescope Spatial Hubble des agences spatiales NASA/ESA ont fourni les preuves les plus solides à ce jour de l’existence de trous noirs de masse intermédiaire dans l’Univers. Hubble confirme la localisation de ce trou noir de “masse intermédiaire” à l’intérieur d’un amas dense d’étoiles.

Cette vue d’artiste représente une étoile déchirée par un trou noir de masse intermédiaire (IMBH), entouré d’un disque d’accrétion. Ce mince disque de matière en rotation est constitué des restes d’une étoile qui a été déchirée par les forces de marée du trou noir.

Les trous noirs de masse intermédiaire (IMBH) sont considérés comme le “chaînon manquant” pour expliquer la formation des trous noirs supermassifs au centre des grosses galaxies. Jusqu’à présent seulement quelques candidats robustes ont été découverts : leurs masses sont inférieures à celles des trous noirs supermassifs, mais supérieures à celles des trous noirs de masse stellaire résultant de l’effondrement gravitationnel d’étoiles massives. Le trou noir nouvellement découvert a une masse estimée supérieure à 50 000 fois la masse du Soleil.

Les trous noirs de masse intermédiaire s’avèrent difficiles à détecter. “Les trous noirs de masse intermédiaire sont des objets particulièrement insaisissables. Il est donc nécessaire d’examiner chaque candidat avec soin afin d’écarter toute autre explication possible. C’est précisément ce que Hubble nous a permis de faire” précise Dacheng Lin de l’Université du New Hampshire (Etats-Unis), auteur principal de l’étude [1].

Lin et ses collaborateurs ont utilisé Hubble afin de suivre les indices trouvés par l’Observatoire Chandra de la NASA et le télescope XMM-Newton de l’ESA opérant tous deux dans le domaine des rayons X. En particulier, XMM-Newton est constitué de trois télescopes à rayons X et d’un moniteur optique permettant d’effectuer de longues expositions ininterrompues et donc de produire des données très détaillées.

“L’ajout d’observations additionnelles dans le domaine des rayons X au cours du temps nous a permis de déterminer la quantité d’énergie émise par la matière tombant sur le trou noir” précise Natalie Webb, l’une des membres de l’équipe rattachée à l’Université de Toulouse (IRAP). “Cela nous a aidé à mieux comprendre la nature de l’étoile qui a été disloquée par le trou noir”.

En 2006, les satellites XMM-Newton & Chandra ont détecté une puissante éruption de rayons X dont l’origine – galactique ou extragalactique – demeura toutefois indéterminée. Les chercheurs l’ont attribuée à la dislocation par les forces de marée d’un trou noir (un objet avec la gravité la plus grande connue) d’une étoile s’étant aventurée trop près de ce dernier.

Etonnamment, la source de rayons X baptisée 3XMM J215022.4–055108 ne se situait pas au centre d’une galaxie, là précisément où les trous noir supermassifs résident habituellement. Ce qui laissait entrevoir la possibilité qu’un trou noir de masse intermédiaire en soit la cause. Toutefois, avant d’entériner cette hypothèse excitante, une autre source potentielle pour cette éruption de rayons X devait être écartée : une étoile à neutrons située au sein même de notre galaxie, la Voie Lactée, en pleine phase de refroidissement après qu’elle ait été portée à des températures particulièrement élevées. Les étoiles à neutrons sont les vestiges extrêmement denses de l’explosion d’étoiles massives.

Afin de déterminer sa localisation avec précision, Hubble fut pointé en direction de la source de rayons X. Grâce à l’imagerie profonde à haute résolution de Hubble, l’origine extragalatique de la source a été confirmée, l’associant à un amas dense d’étoiles situé en périphérie d’une galaxie – justement là où les astronomes pensaient trouver un tel trou noir. De précédentes études effectuées avec le télescope Hubble avaient montré que la masse d’un trou noir est directement proportionnelle à celle de sa galaxie hôte. En conséquence, ce nouveau résultat suggère que l’amas d’étoile hôte de 3XMM J215022.4–055108 pourrait être le reste d’une galaxie naine de faible masse ayant subi des interactions gravitationnelles fortes avec sa galaxie hôte actuelle.

Les trous noirs de masse intermédiaire sont d’autant plus difficiles à détecter qu’ils sont de dimensions inférieures et présentent une activité moindre que celles des trous noirs supermassifs : ils ne disposent en effet pas des mêmes réserves de matière autour d’eux, ni d’une attraction gravitationnelle suffisamment puissante pour attirer constamment à eux les étoiles et le gaz environnants, et donc produire un signal de rayons X suffisamment puissant. Reste donc aux astronomes la seule possibilité de détecter de tels trous noirs en flagrant délit d’engloutissement d’une étoile. Lin et ses collègues ont minutieusement étudié les données d’archive de la mission XMM-Newton, scrutant des centaines de milliers de sources à la recherche d’un potentiel candidat. Une fois découvert, l’analyse de l’émission X en provenance de l’étoile disloquée leur a permis d’estimer la masse du trou noir.

La confirmation de l’existence de ce trou noir de masse intermédiaire laisse entrevoir la possibilité que nombre d’entre eux demeurent indétectés, dans l’attente qu’une étoile passe à proximité. Lin va poursuivre ce patient travail de détective, utilisant les méthodes que ses collaborateurs ont éprouvées avec succès.

“L’étude de l’origine et de l’évolution des trous noirs de masse intermédiaire nous permettra de comprendre le processus ayant conduit à la formation et l’évolution des trous noirs supermassifs au centre des galaxies massives” conclut Natalie Webb.

Les trous noirs constituent les environnements les plus extrêmes dont nous ayons connaissance dans l’univers. A ce titre, ils constituent de formidables laboratoires pour tester les lois de la physique et améliorer notre compréhension de leurs impacts sur les grandes structures de l’Univers. Un trou noir supermassif se forme-t-il à partir d’un trou noir de masse intermédiaire ? Comment ces derniers se forment-ils ? Les amas denses d’étoiles constituent-ils leurs habitats privilégiés ? Après avoir apporté une réponse à l’une de ces questions, Lin et ses collègues astronomes spécialistes des trous noirs sont conscients des nombreuses autres problématiques restant à résoudre.

Notes

[1] Ces résultats font l’objet d’un article paru au sein de l’Astrophysical Journal Letters et s’inscrivent dans le cadre du HST Program GO-15441

L’équipe ayant mené ces recherches est composée de D. Lin, J. Strader, A. J. Romanowski, J. A. Irwin, O. Godet, D. Barret, N. A. Webb, J. Homan, et R. A. Remillard.

Ressources complémentaires

Contacts IRAP

  • O. Godet, olivier.godet@irap.omp.eu
  • D. Barret, didier.barret@irap.omp.eu, @DidierBarret
  • N. A. Webb, natalie.webb@irap.omp.eu

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