« Les trous noirs intermédiaires sont des objets très rares »

Monde de la physique : combien de trous noirs de taille moyenne sont déjà connus ?

Florian Peißker : Nous n’en sommes qu’au tout début des recherches sur les trous noirs de poids moyen. Jusqu’à présent, seule une dizaine d’entre eux ont été clairement identifiés, ce sont donc des objets très rares. Certains d’entre eux ont été découverts dans la Voie Lactée, mais aussi dans des galaxies plus lointaines. Il existe également quelques centaines de candidats pour des trous noirs de taille moyenne, qui n’ont pas encore été confirmés avec certitude. Nous avons désormais pu détecter clairement un autre trou noir de taille moyenne dans la région centrale de notre galaxie, ce qu’on appelle le centre galactique. Il s’agit d’une région d’à peine quelques années-lumière de rayon autour du trou noir supermassif appelé Sagittarius A*, dont les images ont fait le tour du monde il y a quelques années lors de leur première capture dans les longueurs d’onde radio.

En plus des trous noirs supermassifs et intermédiaires, il existe également des trous noirs stellaires. Quelle est la différence entre ces objets ?

Jusqu’à présent, ce sont principalement des trous noirs stellaires et supermassifs qui ont été détectés. Les trous noirs stellaires se forment comme un vestige lorsqu’une grande étoile de plusieurs dizaines de masses solaires brûle à la fin de sa vie puis s’effondre sous sa propre gravité. Si l’étoile qui s’effondre n’est pas trop lourde, une étoile à neutrons peut également se former. Mais au-delà d’une certaine masse, un trou noir se produit inévitablement. En fonction de la masse de l’étoile précédente, un tel objet représente quelques masses solaires, voire quelques dizaines de masses solaires. Mais c’est bien inférieur à la masse des trous noirs supermassifs au centre des galaxies, qui peuvent avoir des millions, voire des milliards de masses solaires. Des trous noirs moyens se situent entre les deux, d’environ quelques centaines à dix mille masses solaires.

Comment se forment les trous noirs modérés et pourquoi sont-ils si rares ?

C’est une bonne question qui fait actuellement l’objet de recherches. Car jusqu’à présent, nous ne savons pas comment se forment ces trous noirs. Ils sont trop lourds pour être formés à partir d’une seule étoile, car aucune étoile n’a plus de quelques centaines de masses solaires. Les trous noirs de taille moyenne sont donc probablement le résultat de processus de fusion. Par exemple, plusieurs étoiles très lourdes pourraient entrer en collision, créant ainsi une étoile instable et super-lourde possédant plus d’un millier de masses solaires. Celui-ci s’effondrerait alors en un trou noir stellaire très lourd, qui continuerait alors à croître en aspirant les gaz de la zone environnante, voire en dévorant des étoiles entières. Mais cela ne fonctionne que s’il y a suffisamment de « nourriture » dans la région.

Carte de l’amas d’étoiles IRS 13

De quel genre d’environnement pourrait-il s’agir ?

Nous soupçonnons que des trous noirs intermédiaires se forment en amas globulaires. Ceux-ci contiennent de nombreuses étoiles dans un très petit espace. Si un trou noir stellaire devait se former, il pourrait avaler des étoiles ou d’autres trous noirs ou étoiles à neutrons et s’élever ainsi inhabituellement rapidement jusqu’à atteindre la classe de poids de quelques milliers à dix mille masses solaires. Ce serait la deuxième possibilité, outre la formation d’une étoile super-lourde suivie d’un effondrement.

Et où a été découvert le nouveau trou de taille moyenne ?

Il se trouve dans un amas d’étoiles appelé IRS 13. Il s’agit d’une structure assez inhabituelle que nous avons déjà remarquée. Cet amas d’étoiles est situé en plein centre galactique, à seulement un dixième d’année-lumière de Sagittaire A*. À ce jour, il y a eu plus de 50 étoiles dans l’IRS 13, mais il y en a probablement beaucoup plus. Jusqu’à présent, on ne savait pas exactement ce qui maintient si bien cet amas d’étoiles et pourquoi il brille dans le domaine des rayons X. Comme nos mesures l’ont montré, cela est dû au fait qu’il y a en son centre un trou noir de taille moyenne d’environ 30 000 masses solaires.

Comment avez-vous réussi à fournir cette preuve ?

Pour ce faire, nous avons dû combiner toute une série d’observations différentes. Nous avons grandement bénéficié du fait que le centre galactique est régulièrement examiné depuis des décennies par toutes sortes de télescopes, notamment par des télescopes très puissants comme celui-ci. Très grand télescope, ALMA et bien sûr les télescopes spatiaux comme Hubble, Chandra et le télescope spatial James Webb. Il est intéressant de noter que l’analyse conjointe de toutes ces données a montré qu’au centre d’IRS 13 se trouve un objet lourd qui, en termes de masse, ne peut être qu’un trou noir. Il émet également des rayons X et des émissions radio, qui proviennent généralement des gaz chauds situés autour des trous noirs. Toutes ces observations s’assemblent bien et forment une image cohérente, en supposant qu’il y ait là un trou noir pesant environ 30 000 masses solaires.

Quel rôle jouent les trous noirs modérés dans le cosmos ?

Ici aussi, nous sommes encore au tout début de nos recherches. Mais ils pourraient avoir deux fonctions très différentes. D’une part, des trous noirs de cette taille en mouvement libre peuvent, lorsqu’ils traversent une galaxie comme notre Voie lactée, captiver des nuages ​​de gaz ou même des amas d’étoiles entiers et créer ainsi des structures stables. C’est probablement aussi le cas de l’IRS 13. D’un autre côté, la question de savoir comment les trous noirs supermassifs des centres des galaxies ont pu gagner si rapidement de la masse reste à ce jour sans réponse. Surtout dans les premiers jours de l’univers, ces phénomènes semblent avoir augmenté beaucoup plus rapidement que ne le suggèrent nos calculs. S’il y avait suffisamment de trous noirs de masse moyenne dans leur environnement pour qu’ils puissent les absorber, cela expliquerait la croissance rapide des trous noirs supermassifs. Restons à l’écoute pour voir ce que l’astrophysique en dira dans quelques années !