Les astronomes détectent le premier trou noir potentiel « dévoyé ».

Nous avons vu de nombreux trous noirs arracher de la matière à un compagnon, mais pas rester seuls dans l’espace. Maintenant, nous pourrions en avoir repéré un.

Chaque seconde, un tout nouveau bébé trou noir naît quelque part dans le cosmos lorsqu’une étoile massive s’effondre sous son propre poids.

Mais les trous noirs eux-mêmes sont invisibles. Historiquement, les astronomes n’ont été capables de détecter ces trous noirs de masse stellaire que lorsqu’ils agissent sur un compagnon.

Aujourd’hui, une équipe de scientifiques a réalisé la toute première détection confirmée d’un trou noir de masse stellaire complètement isolé. Cette découverte ouvre la possibilité d’en trouver d’autres – une perspective passionnante, étant donné qu’il devrait y avoir environ 100 millions de trous noirs « voyous » de ce type qui dérivent dans notre galaxie sans être vus.

Compter sur les voisins

Les trous noirs sont difficiles à trouver car ils ne brillent pas comme les étoiles. Tout ce qui a une masse déforme le tissu de l’espace-temps, et plus la masse est grande, plus la déformation est extrême. Les trous noirs concentrent une telle masse dans une zone si minuscule que l’espace se replie sur lui-même. Cela signifie que si quelque chose, même la lumière, s’approche trop près, sa trajectoire se pliera toujours vers le centre du trou noir.

Les astronomes ont découvert quelques centaines de ces fantômes indirectement, en observant comment ils influencent leur environnement. Ils ont identifié une vingtaine de trous noirs de petite taille et de masse stellaire dans notre galaxie en observant les étoiles dévorées par des compagnons invisibles. Lorsque le trou noir attire la matière de son voisin, celle-ci forme un disque d’accrétion tourbillonnant et lumineux qui signale la présence du trou noir.

Après des décennies de recherche, les astronomes ont enfin trouvé un trou noir isolé de masse stellaire. Situé à environ 5 200 années-lumière du centre de notre galaxie, le trou noir solitaire, qui n’a pas encore été nommé, pèse un peu plus de sept fois la masse du Soleil. Il se déplace plus rapidement que presque toutes les étoiles visibles dans sa zone, ce qui laisse entrevoir comment il s’est formé.

Les scientifiques pensent que lorsqu’une étoile massive n’a plus de carburant et s’effondre, l’explosion de supernova qu’elle subit peut être inégale. « Ce trou noir semble avoir reçu un coup de pied natal qui l’a fait partir à toute vitesse », explique Kailash Sahu, astronome au Space Telescope Science Institute de Baltimore, qui a dirigé l’étude. Les résultats de l’équipe ont été soumis à l’Astrophysical Journal.

Voir l’invisible

L’équipe a combiné deux techniques cosmiques pour repérer le trou noir : la lentille gravitationnelle et l’astrométrie. La première fonctionne car lorsque la gravité déforme l’espace-temps, elle modifie la trajectoire de la lumière lorsqu’elle passe à proximité. Lorsqu’un objet céleste passe très près d’une étoile plus éloignée dans le ciel par rapport à notre ligne de visée, la lumière de l’étoile se courbe lorsqu’elle passe devant l’objet le plus proche. Si l’objet d’avant-plan qui effectue la déformation est relativement petit – par exemple, une planète, une étoile ou un trou noir, plutôt qu’une galaxie entière ou un amas de galaxies – le processus est appelé, plus précisément, microlentillage.

Le microlentillage fait que l’objet le plus proche agit comme une loupe naturelle, éclaircissant temporairement la lumière de l’étoile distante – un effet que les télescopes peuvent capter. Les astronomes peuvent estimer approximativement la masse de l’objet le plus proche en fonction de la durée du pic de lumière de l’étoile ; les objets plus massifs créent des phénomènes de microlentillage plus longs. Ainsi, un long événement de microlentillage causé par un objet que nous ne pouvons pas voir pourrait signaler un trou noir rebelle.

Mais les trous noirs ne peuvent pas être confirmés par le seul microlentillage. Une petite étoile faible se déplaçant lentement pourrait se faire passer pour un trou noir. Elle aussi produirait un signal long, en raison de sa vitesse lente, et si l’étoile est suffisamment faible, les astronomes pourraient ne pas la voir, ne pouvant détecter que la lumière de l’étoile de fond.

C’est là que l’astrométrie entre en jeu. Cette technique consiste à faire des mesures précises de la position d’un objet. En observant à quel point la position de l’étoile de fond semble se déplacer lors d’un phénomène de microlentillage, les astronomes peuvent déterminer très précisément la masse de l’objet le plus proche.

« C’est ainsi que nous avons su que nous avions trouvé un trou noir », explique M. Sahu. « L’objet que nous avons détecté est si massif que s’il s’agissait d’une étoile, il brillerait de mille feux ; pourtant, nous n’avons détecté aucune lumière en provenance de cet objet. »

Cette découverte est l’aboutissement de sept années d’observations. Les signaux de microlentillage qui peuvent révéler de petits trous noirs solitaires durent presque un an. Deux télescopes terrestres, l’Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) et le télescope MOA (Microlensing Observations in Astrophysics), ont détecté l’événement. Il a duré suffisamment longtemps pour que les astronomes soupçonnent que l’objet visé par la lentille pourrait être un trou noir.

C’est alors qu’ils ont commencé à faire des mesures astrométriques. La déviation que l’objet intervenant causait dans la lumière de l’étoile de fond était si faible que seul le télescope spatial Hubble pouvait la détecter. L’équipe a passé plusieurs années supplémentaires à analyser le signal astrométrique, qui peut en général durer cinq à dix fois plus longtemps que son homologue microlentille.

« C’est extrêmement gratifiant de faire partie d’une découverte aussi monumentale », déclare Sahu. « Je recherche des trous noirs scélérats depuis plus de dix ans, et c’est passionnant d’en trouver enfin un ! J’espère que ce sera le premier d’une longue série. »

Établir la norme cosmique

Il est toujours possible que l’objet ne soit pas un trou noir après tout. L’analyse du même événement par une autre équipe place l’objet quelque part entre environ 1,5 et 4 masses solaires – suffisamment léger pour qu’il puisse être soit un trou noir, soit une étoile à neutrons (le noyau écrasé d’une étoile morte qui n’était pas assez massive pour devenir un trou noir). Si l’on considère que les astronomes n’ont jamais détecté d’étoile à neutrons isolée auparavant, il s’agirait tout de même d’une découverte remarquable. Les résultats des deux équipes sont encore en cours d’examen par les pairs.

Indépendamment de ce résultat, certains astronomes pensent que les trous noirs de masse stellaire trouvés dans les systèmes binaires peuvent représenter un échantillon biaisé. Leurs masses ne varient que d’environ 5 à 20 fois la masse du Soleil, la plupart se situant autour de 7 masses solaires. Mais la gamme réelle pourrait être beaucoup plus large.

« Les trous noirs de masse stellaire qui ont été détectés dans d’autres galaxies via les ondes gravitationnelles sont souvent bien plus grands que ceux que nous avons trouvés dans notre galaxie – jusqu’à près de 100 masses solaires », explique Sahu. « En en trouvant d’autres qui sont isolés, nous serons mieux à même de comprendre à quoi ressemble la véritable population de trous noirs et d’en apprendre encore plus sur les fantômes qui hantent notre galaxie. »