Image d'une étoile Wolf Rayet - potentiellement avant de s'effondrer dans un trou noir. Crédit : ESO/L. Calçada
Les astronomes tirent de plus en plus le rideau sur les trous noirs. Au cours des dernières années, nous avons finalement capturé de vraies photos de ces créatures redoutables et mesuré la ondes gravitationnelles - des ondulations dans l'espace-temps - qu'ils créent en se heurtant. Mais il y a encore beaucoup de choses que nous ignorons sur les trous noirs. L'une des plus grandes énigmes est exactement comment ils se forment en premier lieu.
Mes collègues et moi pensons maintenant avoir observé ce processus, fournissant certaines des meilleures indications à ce jour sur ce qui se passe exactement lorsqu'un trou noir formes. Nos résultats sont publiés dans deux articles dans Nature et par Journal astrophysique.
Les astronomes pensent, pour des raisons à la fois observationnelles et théoriques, que la plupart des trous noirs se forment lorsque le centre d'une étoile massive s'effondre à la fin de sa vie. Le noyau de l'étoile fournit normalement une pression, ou un soutien, en utilisant la chaleur des réactions nucléaires intenses. Mais une fois que le carburant d'une telle étoile est épuisé et que les réactions nucléaires s'arrêtent, les couches internes de l'étoile s'effondrent sous l'effet de la gravité, s'écrasant à des densités extraordinaires.
Première image d'un trou noir. Crédit : EHT
La plupart du temps, cet effondrement catastrophique est stoppé lorsque le noyau de l'étoile se condense en une sphère solide de matière, riche en particules appelées neutrons. Cela conduit à une puissante explosion de rebond qui détruit l'étoile (une supernova), et laisse derrière lui un objet exotique connu sous le nom de étoile à neutrons. Mais modèles d'étoiles mourantes montrent que si l'étoile d'origine est suffisamment massive (40 à 50 fois la masse du Soleil), l'effondrement se poursuivra simplement sans relâche jusqu'à ce que l'étoile soit écrasée en une singularité gravitationnelle - un trou noir.
Théories explosives
Alors que les étoiles qui s'effondrent pour former des étoiles à neutrons sont désormais régulièrement observées dans tout l'univers (les enquêtes sur les supernovas en trouvent des dizaines de nouvelles chaque nuit), les astronomes ne sont pas encore tout à fait sûrs de ce qui se passe lors de l'effondrement d'un trou noir. Certains modèles pessimistes suggèrent l'étoile entière serait englouti sans laisser de trace. D'autres proposent que l'effondrement d'un trou noir produirait une autre sorte d'explosion.
Par exemple, si l'étoile tourne au moment de l'effondrement, une partie du matériau qui tombe peut être concentrée dans des jets qui s'échappent de l'étoile à grande vitesse. Bien que ces jets ne contiennent pas beaucoup de masse, ils auraient un gros coup de poing : s'ils percutaient quelque chose, les effets pourraient être assez dramatiques en termes d'énergie libérée.
Jusqu'à présent, le meilleur candidat pour une explosion dès la naissance d'un trou noir était l'étrange phénomène dit de longue durée. sursauts gamma. Découverts pour la première fois dans les années 1960 par des satellites militaires, ces événements ont été supposés résulter de jets accélérés à des vitesses époustouflantes par des trous noirs nouvellement formés dans des étoiles qui s'effondrent. Cependant, un problème de longue date avec ce scénario est que les sursauts gamma expulsent également d'abondants débris radioactifs qui continuent de briller pendant des mois. Cela suggère que la majeure partie de l'étoile a explosé dans l'espace (comme dans une supernova ordinaire), au lieu de s'effondrer vers l'intérieur en un trou noir.
Bien que cela ne signifie pas qu'un trou noir ne peut pas s'être formé lors d'une telle explosion, certains ont conclu que d'autres modèles fournissent une explication plus naturelle des sursauts gamma qu'une formation de trou noir. Par exemple, un étoile à neutrons super-aimantée pourrait se former dans une telle explosion et produire ses propres jets puissants.
Mystère résolu?
Mes collègues et moi, cependant, avons récemment découvert un nouvel événement candidat (à notre avis) bien meilleur pour créer un trou noir. À deux occasions distinctes au cours des trois dernières années – une fois en 2019 et une fois en 2021 – nous avons été témoins d'un type d'explosion exceptionnellement rapide et fugace qui, tout comme dans les sursauts gamma, provenait d'une petite quantité de matériau se déplaçant très rapidement claquant en gaz dans son environnement immédiat.
En utilisant la spectroscopie - une technique qui décompose la lumière en différentes longueurs d'onde - nous avons pu déduire la composition de l'étoile qui a explosé pour chacun de ces événements. Nous avons découvert que le spectre était très similaire à ce que l'on appelle les "étoiles Wolf-Rayet" - un type d'étoile très massive et très évoluée, du nom des deux astronomes, Charles Wolf et Georges Rayet, qui les ont détectées les premiers. De manière passionnante, nous avons même pu exclure une explosion de supernova "normale". Dès que la collision entre le matériau rapide et son environnement a cessé, la source a pratiquement disparu – plutôt que de briller pendant longtemps.
C'est exactement ce à quoi vous vous attendriez si, lors de l'effondrement de son noyau, l'étoile n'éjectait qu'une petite quantité de matière, le reste de l'objet s'effondrant dans un énorme trou noir.
La nouvelle étude a observé deux événements qui peuvent appartenir au troisième type d'explosion, ne durant qu'une courte période. Crédit : Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
Bien que ce soit notre interprétation préférée, ce n'est pas la seule possibilité. La plus prosaïque est qu'il s'agissait d'une explosion de supernova normale, mais qu'une vaste coquille de poussière s'est formée lors de la collision, masquant les débris radioactifs. Il est également possible que l'explosion soit d'un type nouveau et inconnu, provenant d'une étoile que nous ne connaissons pas.
Pour répondre à ces questions, nous devrons recherche pour plus de tels objets. Jusqu'à présent, ces types d'explosions étaient difficiles à étudier car elles sont fugaces et difficiles à trouver. Nous avons dû utiliser successivement plusieurs observatoires pour caractériser ces explosions : le Zwicky Transient Facility pour les découvrir, le télescope de Liverpool et le télescope optique nordique pour confirmer leur nature, et de grands observatoires à haute résolution (le télescope spatial Hubble, l'observatoire Gemini , et le Very Large Telescope) pour analyser leur composition.
Alors que nous ne savions pas exactement ce que nous voyions au départ lorsque nous avons découvert ces événements, nous avons maintenant une hypothèse claire : la naissance d'un trou noir.
Plus de données provenant d'événements similaires pourraient bientôt nous aider à vérifier ou à falsifier cette hypothèse et à établir le lien avec d'autres types d'explosions inhabituelles et rapides que notre équipe et d'autres ont découvertes. Quoi qu'il en soit, il semble que ce soit vraiment la décennie où nous percerons les mystères des trous noirs.
Écrit par Daniel Perley, lecteur d'astrophysique, Liverpool John Moores University.
Cet article a été publié pour la première fois en The Conversation.
