Communiqué de presse

La "police des trous noirs" découvre un trou noir dormant en dehors de nôtre galaxie

18 juillet 2022

Une équipe d'experts internationaux, réputée pour avoir démystifié plusieurs découvertes de trous noirs, a découvert un trou noir de masse stellaire dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie voisine de la nôtre. « Pour la première fois, notre équipe s'est réunie pour rendre compte de la découverte d'un trou noir, au lieu de la rejeter », explique Tomer Shenar, responsable de l'étude. De plus, ils ont constaté que l'étoile qui a donné naissance au trou noir a disparu sans aucun signe d'une puissante explosion. La découverte a été réalisée grâce à six années d'observations effectuées avec le Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire Européen Austral (ESO).

« Nous avons identifié une "aiguille dans une botte de foin" », déclare Tomer Shenar, qui a commencé cette étude à la KU Leuven en Belgique [1] et qui est maintenant boursier Marie-Curie à l'université d'Amsterdam, aux Pays-Bas. Bien que d'autres candidats similaires aient été proposés, l'équipe affirme qu'il s'agit du premier trou noir de masse stellaire "dormant" à être détecté sans ambiguïté en dehors de notre galaxie.

Les trous noirs de masse stellaire se forment lorsque des étoiles massives arrivent en fin de vie et s'effondrent sous l'effet de leur propre gravité. Dans une binaire, un système de deux étoiles tournant l'une autour de l'autre, ce processus laisse derrière lui un trou noir en orbite autour d'une étoile compagne lumineuse. Le trou noir est "dormant" s'il n'émet pas de hauts niveaux de rayons X, ce qui est la façon dont ces trous noirs sont généralement détectés. « Il est incroyable que nous ne connaissions pratiquement aucun trou noir dormant, alors que les astronomes pensent qu'ils sont très répandus », explique le coauteur Pablo Marchant, de la KU Leuven. Le trou noir nouvellement découvert a au moins neuf fois la masse de notre Soleil et tourne autour d'une étoile bleue et chaude pesant 25 fois la masse du Soleil.

Les trous noirs dormants sont particulièrement difficiles à repérer car ils n'interagissent pas beaucoup avec leur environnement. « Cela fait maintenant plus de deux ans que nous recherchons de tels systèmes binaires à trous noirs », explique la coauteure Julia Bodensteiner, chargée de recherche à l'ESO en Allemagne. « J'ai été très enthousiaste lorsque j'ai entendu parler de VFTS 243, qui est à mon avis le candidat le plus convaincant signalé à ce jour. » [2]

Pour trouver VFTS 243, la collaboration a recherché près de 1000 étoiles massives dans la région de la nébuleuse de la Tarentule du Grand Nuage de Magellan, à la recherche de celles qui pourraient avoir des trous noirs comme compagnons. Il est extrêmement difficile d'identifier ces compagnons comme des trous noirs, car il existe de nombreuses autres possibilités.

« En tant que chercheur ayant démystifié des trous noirs potentiels ces dernières années, j'étais extrêmement sceptique quant à cette découverte », déclare Tomer Shenar. Ce scepticisme était partagé par le co-auteur Kareem El-Badry du Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian aux États-Unis, que Tomer Shenar appelle le « destructeur de trous noirs ». « Lorsque Tomer m'a demandé de vérifier ses résultats, j'avais des doutes. Mais je n'ai pas pu trouver d'explication plausible pour les données qui n'impliquaient pas un trou noir », explique Kareem El-Badry.

Cette découverte offre également à l'équipe une vue unique sur les processus qui accompagnent la formation des trous noirs. Les astronomes pensent qu'un trou noir de masse stellaire se forme lorsque le noyau d'une étoile massive mourante s'effondre, mais il n'est pas certain que ce processus s'accompagne ou non d'une puissante explosion de supernova.

« L'étoile qui a formé le trou noir de VFTS 243 semble s'être effondrée entièrement, sans aucun signe d'une explosion antérieure », explique Tomer Shenar. « Des preuves de ce scénario de "collapsus direct" sont apparues récemment, mais notre étude fournit sans doute l'une des indications les plus directes. Cela a d'énormes implications pour l'origine des fusions de trous noirs dans le cosmos. »

Le trou noir de VFTS 243 a été découvert grâce à six années d'observations de la nébuleuse de la Tarentule par l'instrument FLAMES (Fibre Large Array Multi Element Spectrograph) sur le VLT de l'ESO [3].

Malgré son surnom de "police des trous noirs", l'équipe encourage activement l'examen de leur résultat et espère que ses travaux, publiés aujourd'hui dans Nature Astronomy, permettront de découvrir d'autres trous noirs de masse stellaire orbitant autour d'étoiles massives, dont des milliers sont censés exister dans la Voie lactée et dans les nuages de Magellan.

« Bien entendu, je m'attends à ce que d'autres spécialistes examinent attentivement notre analyse et tentent de concevoir d'autres modèles », conclut Kareem. El-Badry. «  C'est un projet dans lequel il est très enthousiasment de s’investir ».

Notes

[1] Cette recherche a été menée par une équipe dirigée par Hugues Sana de l'Institut d'astronomie de la KU Leuven

[2] Une étude distincte dirigée par Laurent Mahy, impliquant de nombreux membres de la même équipe et acceptée pour publication dans Astronomy & Astrophysics, fait état d'un autre candidat prometteur pour un trou noir de masse stellaire, dans le système HD 130298 de notre propre galaxie, la Voie lactée.

[3]Les observations utilisées dans l'étude couvrent environ six ans : elles consistent en des données provenant du sondage VLT FLAMES Tarantula (dirigée par Chris Evans, United Kingdom Astronomy Technology Centre, STFC, Royal Observatory, Edinburgh ; maintenant à l'Agence spatiale européenne) obtenues en 2008 et 2009, et des données supplémentaires provenant du programme Tarantula Massive Binary Monitoring (dirigé par Hugues Sana, KU Leuven), obtenues entre 2012 et 2014.

Plus d'informations

Cette recherche a été présentée dans un article intitule “An X-ray quiet black hole born with a negligible kick in a massive binary of the Large Magellanic Cloud” pubilé dans Nature Astronomy (doi: 10.1038/s41550-022-01730-y).

Les recherches qui ont conduit à ces résultats ont été financées par le Conseil européen de la recherche (ER)C dans le cadre du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne (convention de subvention n° 772225 : MULTIPLES) (PI : Sana).

L’équipe est composée de T. Shenar (Institute of Astronomy, KU Leuven, Belgium [KU Leuven]; Anton Pannekoek Institute for Astronomy, University of Amsterdam, Amsterdam, the Netherlands [API]), H. Sana (KU Leuven), L. Mahy (Royal Observatory of Belgium, Brussels, Belgium), K. El-Badry (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, Cambridge, USA [CfA]; Harvard Society of Fellows, Cambridge, USA; Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany [MPIA]), P. Marchant (KU Leuven), N. Langer (Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn, Germany, Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Germany [MPIfR]), C. Hawcroft (KU Leuven), M. Fabry (KU Leuven), K. Sen (Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn, Germany,  MPIfR), L. A. Almeida (Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, Brazil; Universidade do Estado do Rio Grande do Norte, Mossoró, Brazil), M. Abdul-Masih (ESO, Santiago, Chile), J. Bodensteiner (ESO, Garching, Germany), P. Crowther (Department of Physics & Astronomy, University of Sheffield, UK), M. Gieles (ICREA, Barcelona, Spain; Institut de Ciències del Cosmos, Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain), M. Gromadzki (Astronomical Observatory, University of Warsaw, Poland [Warsaw]), V. Henault-Brunet (Department of Astronomy and Physics, Saint Mary’s University, Halifax, Canada), A. Herrero (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife, Spain [IAC]; Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Tenerife, Spain [IAC-ULL]), A. de Koter (KU Leuven, API), P. Iwanek (Warsaw), S. Kozłowski (Warsaw), D. J. Lennon (IAC, IAC-ULL), J. Maíz Apellániz (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid, Spain), P. Mróz (Warsaw), A. F. J. Moffat (Department of Physics and Institute for Research on Exoplanets, Université de Montréal, Canada), A. Picco (KU Leuven), P. Pietrukowicz (Warsaw), R. Poleski (Warsaw), K. Rybicki (Warsaw and Department of Particle Physics and Astrophysics, Weizmann Institute of Science, Israel), F. R. N. Schneider (Heidelberg Institute for Theoretical Studies, Heidelberg, Germany [HITS]; Astronomisches Rechen-Institut, Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, Heidelberg, Germany), D. M. Skowron (Warsaw), J. Skowron (Warsaw), I. Soszyński (Warsaw), M. K. Szymański (Warsaw), S. Toonen (API), A. Udalski (Warsaw), K. Ulaczyk (Department of Physics, University of Warwick, UK), J. S. Vink (Armagh Observatory & Planetarium, UK), and M. Wrona (Warsaw).

L’Observatoire Européen Austral (ESO) permet aux scientifiques du monde entier de découvrir les secrets de l’Univers pour le bénéfice de tous. Nous concevons, construisons et exploitons des observatoires au sol de classe mondiale - que les astronomes utilisent pour s’attaquer à des questions passionnantes et transmettre la fascination de l’astronomie - et nous encourageons la collaboration internationale en astronomie. Créé en 1962 en tant qu’organisation intergouvernementale, l’ESO est aujourd’hui soutenu par 16 États membres (Allemagne, Autriche, Belgique, Danemark, Espagne, France, Finlande, Irlande, Italie, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Royaume-Uni, Suède et Suisse), ainsi que par l’État hôte du Chili et l’Australie en tant que partenaire stratégique. Le siège de l’ESO ainsi que son centre d’accueil et son planétarium, l’ESO Supernova, sont situés près de Munich en Allemagne, tandis que le désert chilien d’Atacama, un endroit magnifique offrant des conditions uniques pour observer le ciel, accueille nos télescopes. L’ESO exploite trois sites d’observation : La Silla, Paranal et Chajnantor. À Paranal, l’ESO exploite le Very Large Telescope et son Very Large Telescope Interferometer, ainsi que deux télescopes de sondage, VISTA observant dans l’infrarouge et le VLT Survey Telescope observant dans la lumière visible. Toujours à Paranal, l’ESO accueillera et exploitera le Cherenkov Telescope Array South, l’observatoire de rayons gamma le plus grand et le plus sensible au monde. Avec ses partenaires internationaux, l’ESO exploite APEX et ALMA à Chajnantor, deux installations qui observent le ciel dans le domaine millimétrique et submillimétrique. Au Cerro Armazones, près de Paranal, nous construisons « le plus grand œil au monde tourné vers le ciel » — l’Extremely Large Telescope de l’ESO. Depuis nos bureaux de Santiago du Chili, nous soutenons nos opérations dans le pays et nous nous engageons auprès des partenaires et de la société chiliens.

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Contacts

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KU Leuven and University of Amsterdam
Leuven and Amsterdam, Belgium and The Netherlands
Courriel: t.shenar@uva.nl

Julia Bodensteiner
European Southern Observatory
Garching bei München, Germany
Tél: +49-89-3200-6409
Courriel: julia.bodensteiner@eso.org

Kareem El-Badry
Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian
Cambridge, USA
Courriel: kareem.el-badry@cfa.harvard.edu

Pablo Marchant
KU Leuven
Leuven, Belgium
Tél: +32 16 33 05 47
Courriel: pablo.marchant@kuleuven.be

Hugues Sana
KU Leuven
Leuven, Belgium
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Courriel: hugues.sana@kuleuven.be

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Ce texte est une traduction du communiqué de presse de l'ESO eso2210.