Comment découvrir une nouvelle espèce de trou noir ?

Les astrophysiciens connaissent des trous noirs qui possèdent la masse de millions d'étoiles réunies et d'autres dont la masse ne dépasse pas celle d'une étoile unique. Peu d'indices existent pour des trous noirs dont la masse se situe entre ces deux extrêmes. Des scientifiques, au moyen du satellite Rossy X-ray Timing Explorer, ont découvert une étoile mourante orbitant autour ce qui semble être un trou noir de taille moyenne, de catégorie intermédiaire.


Avec la découverte de l'étoile et la détermination de sa période orbitale, les scientifiques sont maintenant sur le point de mesurer la masse du trou noir, une étape qui validerait son existence. La période et la localisation de l'étoile s'accordent avec la principale théorie sur la formation de ces trous noirs.

Peu de trous noirs de classe moyenne

Un trou noir est un objet si dense et dont l'attraction gravitationnelle est si intense que rien, pas même la lumière, ne peut s'en échapper une fois à l'intérieur. La région dans laquelle il se situe peut cependant devenir visible car la température de la matière qui s'y engouffre s'élève fortement. Cette lumière est émise avant que la matière ne franchisse la frontière du trou noir, son horizon.

Notre galaxie est remplie de millions de trous noirs de masse stellaire, équivalente à la masse de quelques soleils. Ils se sont formés à partir de l'effondrement d'étoiles très massives. De nombreuses galaxies possèdent dans leur noyau un trou noir super massif dont la masse atteint celle de millions voire de milliards d'étoiles dans un espace pas plus grand que notre Système Solaire. Les scientifiques n'en connaissent pas l'origine, probablement l'effondrement d'énormes quantités de gaz primordiaux.

Dans les dix dernières années, des observations par satellites ont fourni quelques indices sur l'existence d'une nouvelle catégorie de trous noirs, dont la masse se situe entre 100 et 10.000 masses solaires. Leur masse et leur origine sont sujettes à débats.

Ces trous noirs supposés posséder une masse intermédiaire sont appelés des objets de rayons X ultra-lumineux parce qu'ils constituent de brillantes sources de rayons X. Et de fait, l'évaluation de la masse de la plupart de ces trous noirs est uniquement basée sur un calcul de la force de gravitation nécessaire pour produire l'intensité de rayonnement observée.

Le compagnon qui trahit la présence du trou noir

Cependant, en utilisant la physique newtonienne pure et simple, on peut calculer la masse d'un objet à partir de la période orbitale et de la vitesse de plus petits objets en rotation autour de lui. Des scientifiques de l'Université de l'Iowa ont effectué des mesures qui peuvent être employées directement dans l'équation utilisée pour calculer la masse.

"Nous avons noté une augmentation puis une diminution de l'intensité lumineuse en rayons X tous les 62 jours, probablement provoqués par l'orbite d'une étoile compagnon autour du trou noir", indique un membre de l'équipe de recherche. "Il sera difficile d'en déterminer la vitesse, toutefois, parce que l'étoile est située dans un secteur obscurci par de la poussière, ce qui rend difficile son observation avec des télescopes optiques et infrarouges".

Le trou noir supposé de masse intermédiaire, appelé M82 X-1, est un objet ultra-lumineux de rayons X bien étudié situé dans un amas d'étoiles proche contenant environ un million d'étoiles entassées dans une région de seulement 100 années-lumière de large. On peut supposer qu'une multitude de collisions d'étoiles ayant eu lieu pendant un temps très court dans une région restreinte ait pu créer une étoile gigantesque de courte durée de vie qui s'est effondrée en un trou noir de 1.000 masses solaires. L'amas proche de M82 X-1 possède une densité suffisamment élevée pour former un tel trou noir. Aucun compagnon normal ne pourrait fournir assez de carburant pour faire en sorte que M82 X-1 brille si intensément. Mais la période orbitale de 62 jours implique que le compagnon doit avoir une densité très faible. Ceci est en accord avec le scénario d'une étoile super géante qui perd de la masse à un taux assez élevé pour alimenter en combustible M82 X-1.

Selon les chercheurs, la détermination de la période orbitale a permis de se faire une assez bonne idée de l'évolution de l'objet. Il s'est formé dans un "super" amas d'étoiles, le trou noir a capturé une étoile compagnon qui a elle-même évolué en étoile géante et ce que nous observons actuellement est une source de rayons X extrêmement lumineuse provoquée par l'expansion de l'étoile compagnon nourrissant le trou noir.