Grâce au très grand télescope de l’ESO (le VLT), des astronomes ont détecté, dans une autre galaxie, un trou noir de masse stellaire beaucoup plus éloigné que tous ceux connus à ce jour. Avec une masse supérieure à quinze fois celle du Soleil, c’est aussi le second des trous noirs de masse stellaire les plus massifs détectés jusqu’à présent. Il est « enlacé » avec une étoile qui, elle aussi, deviendra bientôt un trou noir.
Le trou noir à l’intérieur de NGC 300 X-1 (vue d’artiste)
Les trous noirs de masse stellaire [1] découverts dans la Voie Lactée « pèsent » jusqu’à dix fois la masse du Soleil et ne doivent certainement pas être pris à la légère mais, à l’extérieur de notre Galaxie, ils seraient simplement des joueurs de second rang depuis que les astronomes ont trouvé un autre trou noir d’une masse supérieure à quinze masses solaires. Il s’agit de l’un des trois seuls objets de ce type trouvés jusqu’à présent.
Ce tout nouveau trou noir se situe dans la galaxie spirale appelée NGC 300, à six millions d’années-lumière de la Terre. « Jamais un trou noir de masse stellaire aussi distant n’avait été « pesé » et c’est le premier que nous avons pu voir en dehors du groupe local, le voisinage de notre Galaxie » déclare Paul Crowther, professeur d’astrophysique à l’Université de Sheffield, premier auteur de l’article présentant cette étude. Le curieux partenaire de ce trou noir est une étoile de type Wolf-Rayet qui a aussi une masse d’environ vingt masses solaires. Les étoiles Wolf-Rayet sont proches de la fin de leur vie et éjectent la majorité de leurs couches externes dans leur voisinage avant d’exploser en supernovae avec leur cœur qui implose pour former un trou noir.
En 2007, un instrument à rayons X embarqué sur l’observatoire Swift de la NASA a étudié en profondeur les environs de la source de rayons X la plus lumineuse dans NGC 300, découverte précédemment avec l’observatoire à rayons X de l’Agence Spatiale Européenne XMM-Newton. « Nous avons enregistré des émissions périodiques extrêmement intenses de rayons X, un indice qu’un trou noir devait se cacher dans les environs, » explique Stefania Carpano de l’ESA, une des membres de l’équipe.
Grâce aux nouvelles observations réalisées avec l’instrument FORS2 installé sur le VLT de l’ESO, les astronomes ont confirmé leur récente intuition. Les nouvelles données montrent que le trou noir et l’étoile Wolf-Rayet dansent l’un autour de l’autre dans une valse endiablée, avec une période d’environ 32 heures. Les astronomes ont aussi découvert que le trou noir provoque l’éjection de matière de l’étoile alors qu’ils orbitent l’un autour de l’autre.
« C’est vraiment un couple très intime » remarque Robin Barnard, un des collaborateurs de l’équipe. « Comment un système lié de manière aussi forte a pu se former reste un mystère. »
Un seul autre système de ce type a été vu auparavant mais d’autres systèmes composés d’un trou noir et d’une étoile « compagne » ne sont pas inconnus des astronomes. Sur la base de ces systèmes, les astronomes voient une connexion entre la masse d’un trou noir et la chimie galactique. « Nous avons remarqué que les trous noirs les plus massifs avaient tendance à se trouver dans les plus petites galaxies contenant moins d’éléments chimiques lourds, » précise Paul Crowther [2]. « Les plus grosses galaxies, comme la Voie Lactée, qui sont plus riches en éléments lourds, arrivent seulement à produire des trous noirs avec de plus petites masses. » Les astronomes croient qu’une plus forte concentration d’éléments chimiques lourds influence la manière d’évoluer d’une étoile massive, augmentant la quantité de matière qu’elle déverse, aboutissant à un plus petit trou noir quand les restes s’effondrent finalement sur eux-mêmes.
Dans moins d’un million d’années, ce sera au tour de l’étoile Wolf-Rayet de se transformer en supernova et de devenir un trou noir. « Si le système survit à cette seconde explosion, les deux trous noirs fusionneront, émettant une grande quantité d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles au moment de la fusion [3], » conclut Paul Crowther. Toutefois, cela prendra quelques milliards d’années avant qu’ils fusionnent réellement, bien plus longtemps que l’échelle de temps humaine. « Notre étude montre toutefois que de tels systèmes doivent exister et ceux qui ont déjà évolué en trou noir binaire devraient pouvoir être détectés en étudiant les ondes gravitationnelles avec des expériences telles que LIGO ou Virgo [4]. »
Notes:
[1] Les trous noirs de masse stellaire sont les derniers restes, extrêmement denses, résultant de l’effondrement d’étoiles très massives sur elles-mêmes. La masse de ces trous noirs va jusqu’à vingt fois la masse du Soleil, contrairement aux trous noirs super-massifs que l’on trouve au centre de la plupart des galaxies, dont la masse peut aller de un million à un milliard de fois celle du Soleil. Jusqu’à présent, environ vingt trous noirs de masse stellaire ont été détectés.
[2] En astronomie, les éléments chimiques lourds, ou « métaux », sont tous des éléments chimiques plus lourds que l’hélium.
[3] Prédites par la théorie de la relativité générale d’Einstein, les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans la structure de l’espace-temps. D’importantes ondes gravitationnelles sont générées à chaque fois qu’il y a des variations extrêmes des forts champs gravitationnels avec le temps, comme pendant la fusion de deux trous noirs. La détection des ondes gravitationnelles, jamais observées directement jusqu’à présent, est un des défis majeur des prochaines décennies.
[4] Les expériences LIGO et Virgo ont pour objectif de détecter des ondes gravitationnelles en utilisant des interféromètres sensibles aux Etats-Unis et en Italie.
