Les trous noirs sont l'une des forces les plus impressionnantes et mystérieuses de la nature. En même temps, ils sont fondamentaux pour notre compréhension de l'astrophysique. Non seulement les trous noirs sont le résultat d'étoiles particulièrement massives qui se transforment en supernova à la fin de leur vie, mais ils sont également essentiels à notre compréhension de la relativité générale et sont soupçonnés d'avoir joué un rôle dans l'évolution cosmique.
Pour cette raison, les astronomes ont diligemment essayé de créer un recensement des trous noirs dans la galaxie de la Voie lactée depuis de nombreuses années. Cependant, de nouvelles recherches indiquent que les astronomes peuvent avoir négligé une classe entière de trous noirs. Cela vient d'une découverte récente où une équipe d'astronomes a observé un trou noir qui dépasse à peine trois masses solaires, ce qui en fait le plus petit trou noir découvert à ce jour.
L'étude, «Un système binaire de trous noirs et d'étoiles géantes de faible masse sans interaction», a récemment paru dans la revue Science. L'équipe responsable était dirigée par des astronomes de l'Ohio State University et comprenait des membres du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, des observatoires de la Carnegie Institution for Science, du Dark Cosmology Center et de plusieurs observatoires et universités.
La découverte a été particulièrement remarquable car elle a identifié un objet dont les astrophysiciens ignoraient auparavant l’existence. En conséquence, les scientifiques sont maintenant obligés de reconsidérer ce qu'ils pensaient savoir sur la population de trous noirs dans notre galaxie. Comme l'explique Todd Thompson, professeur d'astronomie à l'Ohio State University et auteur principal de l'étude:
"Nous montrons cet indice qu'il y a une autre population là-bas que nous devons encore vraiment sonder dans la recherche de trous noirs. Les gens essaient de comprendre les explosions de supernova, comment les étoiles noires supermassives explosent, comment les éléments se sont formés dans les étoiles supermassives. Donc, si nous pouvions révéler une nouvelle population de trous noirs, cela nous en dirait plus sur les étoiles qui explosent, qui ne le font pas, qui forment des trous noirs, qui forment des étoiles à neutrons. Cela ouvre un nouveau domaine d'étude. »
En raison de leur influence sur l'espace et le temps, les astronomes recherchent depuis longtemps les trous noirs et les étoiles à neutrons. Puisqu'ils sont également ce qui se produit lorsque les étoiles meurent, ils pourraient également fournir des informations sur les cycles de vie des étoiles et la façon dont les éléments sont formés. Pour ce faire, les astronomes doivent d'abord déterminer où se trouvent les trous noirs dans notre galaxie, ce qui nécessite qu'ils sachent quoi chercher.
Une façon de les trouver est de rechercher des systèmes binaires, où deux étoiles sont verrouillées en orbite l'une avec l'autre en raison de leur gravité mutuelle. Lorsqu'une de ces étoiles subit un effondrement gravitationnel vers la fin de sa vie, elle s'effondre pour former une étoile à neutrons ou un trou noir. Si l'étoile compagnon a atteint la phase de branche rouge (RBP) de son évolution, elle se développera considérablement.
Cette expansion fera en sorte que la géante rouge deviendra soumise à son trou noir ou compagnon de l'étoile à neutrons. Cela se traduira par des matériaux tirés de la surface du premier et lentement consommés par le second. Cela est mis en évidence par la chaleur et les rayons X qui sont émis lorsque le matériau de l'étoile s'accumule sur son compagnon de trou noir.
Jusqu'à présent, tous les trous noirs de notre galaxie identifiés par les astronomes se situaient entre cinq et quinze masses solaires. Les étoiles à neutrons, en revanche, ne dépassent généralement pas environ 2,1 masses solaires, car tout ce qui dépasse 2,5 masses solaires s'effondrerait pour former un trou noir. Lorsque LIGO et Virgo ont détecté conjointement des ondes gravitationnelles causées par une fusion de trous noirs, elles étaient respectivement de 31 et 25 masses solaires.
Cela a démontré que des trous noirs pouvaient se produire en dehors de ce que les astronomes considéraient comme la plage normale. Comme l'a dit Thompson:
"Immédiatement, tout le monde était comme" wow ", parce que c'était une chose tellement spectaculaire. Non seulement parce que cela prouvait que LIGO fonctionnait, mais parce que les masses étaient énormes. Les trous noirs de cette taille sont un gros problème - nous ne les avions pas vus auparavant. "
Cette découverte a inspiré Thompson et ses collègues à considérer la possibilité qu'il pourrait y avoir des objets non découverts qui résidaient entre les plus grandes étoiles à neutrons et les plus petits trous noirs. Pour enquêter sur cela, ils ont commencé à combiner les données de l'Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) - une étude astronomique qui recueille les spectres d'environ 100 000 étoiles à travers la galaxie.
Thompson et ses collègues ont examiné ce spectre à la recherche de signes de changements qui indiqueraient si une étoile pourrait être en orbite autour d'un autre objet. Plus précisément, si une étoile montrait des signes de décalage Doppler - où ses spectres alterneraient entre un déplacement vers l'extrémité plus bleue et des longueurs d'onde plus rouges - cela indiquerait qu'elle pourrait être en orbite autour d'un compagnon invisible.
Cette méthode est l'un des moyens les plus efficaces et les plus populaires pour déterminer si une étoile a un système de planètes en orbite. Lorsque les planètes tournent autour d'une étoile, elles exercent sur elle une force gravitationnelle qui la fait se déplacer d'avant en arrière. Ce même type de changement a été utilisé par Thompson et ses collègues pour déterminer si l'une des étoiles APOGEE pourrait être en orbite autour d'un trou noir.
Tout a commencé avec Thompson qui a réduit les données de l'APOGEE à 200 candidats qui se sont révélés les plus intéressants. Il a ensuite donné les données à Tharindu Jayasinghe (un associé de recherche diplômé de l'État de l'Ohio) qui a ensuite utilisé les données de l'All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN) - qui est dirigée par OSU et a trouvé plus de 1000 supernovae - pour compiler des milliers d'images de chaque candidat.
Cela a révélé une étoile rouge géante qui semblait en orbite autour de quelque chose qui était beaucoup plus petit que tout trou noir connu, mais beaucoup plus grand que toutes les étoiles à neutrons connues. Après avoir combiné les résultats avec des données supplémentaires du spectrographe à échelle réflectrice Tillinghast (TRES) et du satellite Gaia, ils ont réalisé qu'ils avaient trouvé un trou noir à peu près 3,3 fois la masse du soleil.
Ce résultat confirme non seulement l'existence d'une nouvelle classe de trous noirs de faible masse, mais il a également fourni une nouvelle méthode pour les localiser. Comme l'a expliqué Thompson:
"Ce que nous avons fait ici est de trouver une nouvelle façon de rechercher des trous noirs, mais nous avons également potentiellement identifié l'un des premiers d'une nouvelle classe de trous noirs de faible masse que les astronomes n'avaient pas connus auparavant. Les masses de choses nous parlent de leur formation et de leur évolution, et elles nous parlent de leur nature. »
