Confirmation de la nature d’un trou noir de masse intermédiaire grâce à son rayonnement radio

En 2009, une équipe internationale de chercheurs démontrait que le trou noir HLX-1 était le candidat le plus sérieux au titre de premier trou noir de « masse intermédiaire » jamais détecté. Une nouvelle étude, publiée dans Science le 5 juillet dernier, et menée par des chercheurs de l’IRAP (CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier) et du CEA de Saclay, vient conforter cette hypothèse en caractérisant plus précisément cet objet. Grâce à des observations inédites, les chercheurs ont en effet mis en évidence la présence d’éjections sporadiques de matière sous la forme de jets radio, élément caractéristique des trous noirs de masse stellaire et super-massifs. La présence de ces jets était attendue pour les trous noirs de masse intermédiaire mais n’avait encore jamais été observée. Les scientifiques ont également estimé la masse de HLX-1 entre 9000 et 90000 fois la masse du Soleil. Ces résultats pionniers permettent de jeter un pont entre les différentes classes de trous noirs.

Illustration: Image de la galaxie hote ESO 243-49 et la source etudier (encercle en blanc) HLX-1, le trou noir de masse intermediaire, prise avec le telescope spatial de Hubble.

Les astronomes classent les trous noirs en plusieurs catégories allant des trous noirs stellaires, restes d’étoiles massives avec des masses supérieures à celle du Soleil, jusqu’aux trous noirs super-massifs situés au centre des galaxies avec des masses de plusieurs millions à plusieurs milliards de fois celle du Soleil. Entre ces deux catégories, se trouveraient les trous noirs dits « de masse intermédiaire », dont on a longtemps cherché des preuves d’existence. Ce n’est qu’en 2009 qu’une équipe de scientifiques conduite par des chercheurs de l’IRAP, a découvert le candidat le plus probant de cette catégorie : baptisé HLX-1 (pour Hyper-Luminous X-ray source 1), il est situé dans la galaxie ESO 243-49 à environ 300 millions d’années-lumière de la Terre.

Trous noirs de masse stellaire et trous noirs super-massifs sont connus pour les jets de matière qu’ils éjectent lorsque de la matière tombent en leur sein. Ces jets s’accompagnent d’une émission lumineuse en rayonnement radio. En 2003, Merloni, Heinz & Di Matteo ont mis en évidence le lien existant entre la quantité de matière qui tombe sur ces trous noirs (observée via la luminosité en rayons X), la masse du trou noir et la puissance des jets (observée via la luminosité en radio). Si cette corrélation est exacte, les trous noirs de masse intermédiaire devraient eux aussi être caractérisés par de tels jets. Pour vérifier cette corrélation sur HLX-1, les chercheurs ont mis en place un projet international permettant de réaliser simultanément des observations en rayonnement X (avec le satellite de la NASA Swift) et en rayonnement radio (avec le réseau de télescopes radio ATCA situé en Australie). Pour la première fois, les observations radio ont mis clairement en évidence une émission radio variable associée à une transition spectrale observée en rayonnement X dans HLX-1. Ces observations sont parfaitement compatibles avec la présence d’un jet et se rapprochent de ce qui est déjà observé pour certains trous noirs de masse stellaire dans notre Galaxie. Cette étude a également permis de porter des contraintes sur la masse du trou noir HLX-1 qui se situerait entre 9000 et 90000 masses solaires. Ce résultat renforce encore l’hypothèse selon laquelle HLX-1 serait un trou noir de masse intermédiaire.

L’enjeu d’une meilleure compréhension de ce type de trous noirs est grand. Ces objets pourraient en effet jouer un rôle central dans la formation des galaxies et être impliqués dans la formation des trous noirs super-massifs.