L’observation des trous noirs stellaires


Le trou noir est probablement l’astre le plus étrange de l’Univers. La question suivante est donc bien légitime : un tel objet existe-t-il vraiment ou bien ne s’agit-il que du produit de l’imagination débridée des théoriciens ?

La détection par les rayons X

Répondre à cette question pose une difficulté de fond puisque, par définition, un trou noir est invisible car aucun rayonnement ne peut s’en échapper. Il est par conséquent impossible d’obtenir une photographie directe. La solution va consister à essayer de détecter la présence d’un trou noir indirectement, par les effets qu’il produit sur un autre corps.

De très nombreuses étoiles ne sont pas isolées mais font partie d’un couple stellaire. Lorsque l’un des membres du couple est une naine blanche ou une étoile à neutrons, un transfert de masse peut se mettre en place et produire des phénomènes comme les novae ou certains types de supernovae.

Si l’une des étoiles est un trou noir, des processus similaires peuvent se produire. De la masse est transférée, un disque d’accrétion se forme, les températures atteignent des valeurs extrêmes et de grandes quantités de rayons X sont émises. Ceci nous fournit un moyen de détecter de possibles trous noirs : il suffit tout simplement de trouver des sources de rayons X dans des étoiles binaires.

Le problème, évidemment, réside dans le fait que les étoiles à neutrons peuvent également produire des rayons X en grand nombre. Il est donc crucial de pouvoir déterminer avec certitude si une source est bel et bien un trou noir. Un moyen simple pour cela est d’arriver à déterminer la masse du corps qui émet les rayons X.

En effet, l’étude théorique des étoiles à neutrons a montré que leur masse maximale était d’environ trois fois celle du Soleil. Si une source de rayons X se révèle posséder plus de trois masses solaires, il est légitime de penser qu’il ne s’agit pas d’une étoile à neutrons, mais bien d’un trou noir.

Le premier candidat trou noir : Cygnus X-1

Le premier candidat fut découvert au début des années 1970 par le satellite Uhuru observant dans les rayons X. Celui-ci détecta dans la constellation du Cygne une source très intense à laquelle on donna le nom de Cygnus X-1.

En plus de sa puissance, le rayonnement de cet objet avait la particularité de présenter des variations extrêmement rapides, parfois en des temps de quelques millisecondes. Ces fluctuations très rapides montraient que la source devait être très petite.

En effet, pour qu’un processus puisse faire varier la luminosité d’un corps de façon notable, il doit affecter l’objet globalement. Ceci signifie qu’il y a nécessairement un échange d’information entre toutes les parties du corps. Or, ces échanges ne se font pas instantanément, mais au mieux à la vitesse de la lumière, comme nous l’apprend la relativité restreinte.

Si la lumière mettait une année pour traverser un corps, celui-ci ne pourrait pas présenter des variations notables à l’échelle d’une journée. Ainsi, les fluctuations très rapides de l’intensité de Cygnus X-1 prouvaient que ce corps devait être très petit, d’une taille de l’ordre de quelques centaines de kilomètres.

Cygnus X-1

Le trou noir présumé Cygnus X-1 observé en 2002 dans les rayons X par le satellite européen Integral. Cygnus X-1 semble très isolé sur cette image car les étoiles proches sont toutes normales et n’émettent pas dans ce domaine de longueur d’onde. Cygnus X-1 n’est pas un corps isolé mais fait partie d’un système double avec une supergéante bleue appelée HDE 226868. C’est le gaz arraché de cette supergéante qui émet des rayons X en allant se perdre dans le trou noir. Crédit : ESA/JEM-X/ECF

Les observations de Cygnus X-1

Les observations dans les rayons X ne permirent pas de déterminer précisément la position de Cygnus X-1 dans le ciel. Il fallut attendre 1972 pour que des radioastronomes y parviennent. Il apparut alors que la source Cygnus X-1 devait être liée, d’une façon ou d’une autre, à une étoile plus normale située à 6 000 années-lumière de nous, HDE226868, qui ne pouvait pas être elle-même la source des rayons X.

L’analyse spectrale de HDE226868 révéla un va-et-vient périodique des raies de l’étoile qui montrait qu’elle devait être en orbite autour d’un autre corps. La conclusion était simple : HDE226868 avait un compagnon, Cygnus X-1, trop peu lumineux pour être observable dans le visible mais qui attirait la matière de l’étoile et devenait ainsi une source de rayons X.

Ce compagnon était-il un trou noir ou une étoile à neutrons ? Grâce à la relation entre masse et luminosité des étoiles, les astrophysiciens savaient que l’étoile HDE226868, de type B, contenait 30 masses solaires. Ils connaissaient également, grâce à l’analyse du déplacement des raies, l’amplitude du mouvement périodique de cette étoile.

A partir de ces données, ils pouvaient déterminer la masse requise pour faire effectuer à une étoile de 30 masses solaires un tel mouvement : Cygnus X-1 devait être un corps minuscule d’environ 10 masses solaires, ce qui était clairement au-dessus de la masse limite pour les étoiles à neutrons. Cygnus X-1 est donc très probablement un trou noir. Sa masse, sa petite taille et la puissance de son rayonnement X semblent le démontrer.

Il faut noter cependant que cela n’est pas absolument sûr. Il reste des incertitudes dans le calcul de la masse de l’objet. Si le monde est vraiment mal fait et si toutes les erreurs vont dans le même sens, il se peut que Cygnus X-1 n’ait que trois masses solaires et soit donc simplement une étoile à neutrons.

Depuis Cygnus X-1, d’autres candidats au titre de trou noir d’origine stellaire ont été découverts. Ils présentent tous les mêmes caractéristiques : des émissions X intenses, rapidement variables, et une masse supérieure à trois fois celle du Soleil. On peut citer par exemple A0620-00/V616 Monocerotis à 3000 années-lumière dans la constellation de la Licorne, V404 Cygni à 8000 années-lumière dans la constellation du Cygne ou LMC X-1 et LMC X-3 dans le Grand Nuage de Magellan.

La détection par les ondes gravitationnelles

La détection d’ondes gravitationnelles apporte une confirmation complètement indépendante de l’existence des trous noirs stellaires. Les efforts de la communauté scientifique dans ce domaine ont été récompensés le 14 septembre 2015 lorsque les interféromètres de LIGO ont tous deux détecté indépendamment les distorsions de l’espace-temps provoquées par le bref passage d’ondes gravitationnelles.

L’analyse de l’amplitude des ondes et de leur évolution a révélé qu’elles avaient été produits par le rapprochement puis la fusion d’un système binaire composé de deux trous noirs, respectivement de 29 et de 36 fois la masse du Soleil. Cette fusion a créé un trou noir de 62 fois la masse du Soleil, les trois masses solaires manquantes ayant été complètement transformées en onde gravitationnelles.

Pendant cette fusion très rapide, à environ 1,3 milliards d’années-lumière de nous, la puissance totale des ondes émises était équivalente à 50 fois la puissance émise sous forme lumineuse par toutes les étoiles de l’Univers observable !

Les trous noirs stellaires

Les deux populations de trous noirs confirmées par l’observation : à gauche, les trous noirs détectés dans les rayons X, comme Cygnus X-1, à droite, les trous noirs plus massifs détectés par les ondes gravitationnelles (représentés avant et après leur fusion). Crédit : LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)


Page mise à jour le 7 août 2017 par Olivier Esslinger