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Posté par Adrien le Jeudi 18/01/2018 à 00:00
L'étrange comportement d'une étoile révèle l'existence d'un trou noir solitaire
Grâce à l'instrument MUSE qui équipe le Very Large Telescope de l'ESO au Chili, les astronomes ont découvert une étoile au comportement très étrange au sein de l'amas NGC 3201. Elle semble orbiter autour d'un trou noir invisible dont la masse avoisine les quatre masses solaires - il s'agit du premier trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de...) inactif de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.) découvert au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier...) d'un amas globulaire et du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) premier trou noir détecté au moyen des seuls effets de son attraction gravitationnelle. Cette importante découverte n'est pas sans conséquence sur notre compréhension de la formation de ces amas stellaires, des trous noirs et de l'origine des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle...) gravitationnelles.


Les amas globulaires sont de vastes sphères constituées de dizaines de milliers d'étoiles qui orbitent autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de la plupart des galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de...). Ils figurent parmi les systèmes stellaires les plus âgés de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.): leur formation est contemporaine en effet des débuts de la croissance et de l'évolution galactiques. A ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son...), quelque 150 amas gobulaires ont été identifiés au sein de la Voie Lactée.

Un amas particulier situé dans la constellation (Une constellation est un ensemble d'étoiles dont les projections sur la voûte céleste sont suffisamment proches pour qu'une civilisation les relie par des lignes imaginaires,...) australe de Vela (Les Voiles) et baptisé NGC 3201 a été étudié au moyen de l'instrument MUSE qui équipe le Very Large Telescope de l'ESO au Chili. Une équipe emmenée par Benjamin Giesers (Université Georg-August de Göttingen, Allemagne) a mis en évidence l'étrange comportement de l'une des étoiles (1) de NGC 3201 - elle oscille d'avant en arrière à plusieurs centaines de milliers de kilomètres par heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure...), et selon une périodicité de 167 jours (2).

Le comportement de cette étoile intrigua Benjamin Giesers: « Elle orbitait autour de quelque chose d'invisible, dont la masse surpassait les quatre masses solaires - cela ne pouvait être qu'un trou noir ! Le tout premier découvert au sein d'un amas globulaire en observant les seuls effets de son attraction gravitationnelle. »

Bien qu'importante, la relation unissant les trous noirs aux amas globulaires demeure mystérieuse. Leurs masses élevées et leurs âges avancés laissent supposer que ces amas ont produit un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de trous noirs de masses stellaire - vestiges de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme...) puis de l'effondrement d'étoiles massives tout au long de la durée de vie (La vie est le nom donné :) de l'amas (3)(4).

L'instrument MUSE de l'ESO offre aux astronomes la possibilité de simultanément mesurer les mouvements de milliers d'étoiles lointaines. Avec cette nouvelle découverte, Benjamin Giesers et son équipe ont pour la toute première fois été capables de détecter un trou noir passif au centre d'un amas globulaire - un trou noir qui n'absorbe actuellement aucune matière et n'est entouré d'aucun disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de...) brillant. Ils ont été en mesure d'estimer la masse du trou noir grâce aux mouvements d'une étoile prise au piège de son énorme attraction gravitationnelle (5).

L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens...) de ses propriétés a permis de fixer la masse de l'étoile à quelque 0,8 masse solaire (En astrophysique, la masse solaire est l'unité de masse conventionnellement utilisée pour les étoiles ou les autres objets massifs. Elle est égale à la masse...), et la masse de sa mystérieuse contrepartie à environ 4,36 masses solaires - ce qui permet de l'identifier presque certainement à un trou noir (6).

Les récentes détections de sources de rayonnements radio et X au sein des amas globulaires, tout comme la détection d'ondes gravitationnelles résultant de la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes...) de deux trous noirs de masses stellaires, suggèrent que ces trous noirs de modestes dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si...) pourraient être bien plus nombreux qu'imaginé au sein des amas globulaires.

Benjamin Giesers de conclure: « Récemment encore, nous pensions que la plupart des trous noirs disparaissaient des amas globulaires en un laps de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) très court, et que de tels systèmes n'existaient même pas ! Ce n'est manifestement pas le cas - nous avons pour la toute première fois détecté les effets gravitationnels d'un trou noir de masse stellaire au sein d'un amas globulaire. Cette découverte permet d'affiner notre compréhension de la formation des amas globulaires ainsi que l'évolution des trous noirs et des systèmes binaires - ce qui est essentiel pour la compréhension des sources d'ondes gravitationnelles. »

Notes

(1) L'étoile découverte achève sa phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de séquence principale. Après avoir épuisé ses réserves d'hydrogène, elle s'apprête à devenir une géante rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.).

(2) Un vaste sondage ( Un sondage peut désigner une technique d'exploration locale d'un milieu particulier. Un sondage peut également être une méthode statistique d'analyse d'une population humaine ou non humaine à partir d'un...) des 25 amas globulaires situés en périphérie de la Voie Lactée est actuellement en cours, au moyen de l'instrument MUSE de l'ESO et avec le soutien du consortium MUSE. Il fournira aux astronomes les spectres des 600 à 27 000 étoiles peuplant chaque amas. L'étude inclut l'analyse de la "vitesse (On distingue :) radiale" des étoiles individuelles - la vitesse à laquelle elles se déplacent en direction ou à l'opposé de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus...), le long de la ligne de visée de l'observateur. Les mesures de vitesses radiales permettront de déterminer les orbites des étoiles ainsi que les propriétés de tout objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois...) massif (Le mot massif peut être employé comme :) autour duquel elles sont susceptibles d'orbiter (Orbiter est un simulateur de vol spatial réaliste, diffusé sous forme de graticiel (mais non open source), pour le système d’exploitation Windows, créé par le Dr Martin Schweiger, professeur...).

(3) En l'absence de formation continue (La formation continue (formation continuée en Belgique) est le secteur de la formation qui concerne ceux qui ont quitté la formation initiale.) d'étoiles, comme c'est le cas dans les amas globulaires, les trous noirs de masse stellaire deviennent rapidement les objets les plus massifs. En règle générale, les trous noirs de masse stellaire des amas globulaires sont quelque quatre fois plus massifs que les étoiles périphériques de faible masse. Des théories récentes stipulent que les trous noirs constituent un noyau dense à l'intérieur de l'amas, qui tend à s'éloigner du reste de la matière globulaire. Des mouvements au centre de l'amas sont ensuite supposés éjecter la majorité des trous noirs, seul quelques-uns d'entre eux survivant, des milliards d'années durant.

(4) Les trous noirs de masse stellaire - ou collapsars - se forment lorsque des étoiles massives meurent, s'effondrant sous leur propre poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale...) et explosant sous la forme de puissantes hypernovae. En résulte un trou noir doté d'une masse sensiblement inférieure à celle de l'ancienne étoile, comprise entre plusieurs masses solaires et plusieurs dizaines de masses solaires.

(5) En raison de leur intense gravité, aucune lumière ne peut s'échapper des trous noirs. La première méthode de détection repose donc sur l'observation des rayonnements X ou radio émis par la matière chaude environnante. Toutefois, lorsqu'un trou noir n'interagit pas avec la matière chaude ni n'accumule de masse ni n'émet le moindre rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.), comme c'est le cas ici, le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson, produit par la Walt Disney Pictures et sorti en 1979....) est "inactif" et invisible. Une autre méthode de détection est alors requise.

(6) L'objet sombre de ce système binaire ne peut faire l'objet d'une observation directe. En conséquence, d'autres explications, beaucoup moins pertinentes toutefois, peuvent être avancées. Ce système pourrait par exemple être assimilé à un système stellaire triple constitué de deux étoiles à neutrons étroitement liées l'une à l'autre, autour desquelles orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) l'étoile observée. Ce scénario présuppose que chaque étoile à neutrons soit dotée d'une masse équivalant à plus de deux masses solaires, un système binaire encore non observé à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du...).


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Source: ESO