L'emplacement des trois premiers trous noirs découverts par la mission Gaia de l'ESA dans la Voie Lactée. Cette carte de notre galaxie a également été réalisée par la mission Gaia. Gaia Black Hole 1 (BH1) est situé à seulement 1560 années-lumière de nous en direction de la constellation d'Ophiuchus ; Gaia BH2 se trouve à 3 800 années-lumière dans la constellation du Centaure ; Gaia BH3 se trouve dans la constellation de l'Aquila, à une distance de 1926 années-lumière de la Terre. En termes galactiques, ces trous noirs résident dans notre arrière-cour cosmique. Avec une masse environ 33 fois supérieure à celle du Soleil, BH3 est le trou noir d'origine stellaire le plus lourd découvert dans notre galaxie. Crédit : ESA/Gaia/DPAC
La mission Gaia de l'ESA a découvert une énorme planète dormante trou noir dans notre galaxie, révélant de nouvelles informations sur la formation des trous noirs de masse stellaire et ouvrant la voie à de futures découvertes astronomiques.
En parcourant la richesse des données de la mission Gaia de l'ESA, les scientifiques ont découvert un « géant endormi ». Un grand trou noir, d’une masse près de 33 fois celle du Soleil, se cachait dans la constellation de l’Aquila, à moins de 2 000 années-lumière de la Terre. C'est la première fois qu'un trou noir d'origine stellaire d'une telle taille est repéré au sein du voie Lactée. Jusqu’à présent, des trous noirs de ce type n’ont été observés que dans des galaxies très lointaines. Cette découverte remet en question notre compréhension de la façon dont les étoiles massives se développent et évoluent.
La matière dans un trou noir est si dense que rien ne peut échapper à son immense attraction gravitationnelle, pas même la lumière. La grande majorité des trous noirs de masse stellaire que nous connaissons engloutissent la matière d’une étoile voisine proche. Le matériau capturé tombe à grande vitesse sur l’objet effondré, devenant extrêmement chaud et libérant des rayons X. Ces systèmes appartiennent à une famille d’objets célestes appelés binaires à rayons X.
Les astronomes ont découvert le trou noir stellaire le plus massif de notre galaxie, grâce au mouvement d’oscillation qu’il induit sur une étoile compagnon. Cette oscillation a été mesurée sur plusieurs années avec le Agence spatiale européennela mission Gaia. Données supplémentaires provenant d'autres télescopes, notamment ESOc'est Très grand télescope au Chili, a confirmé que la masse de ce trou noir, baptisé Gaia BH3, est 33 fois celle de notre Soleil. La composition chimique de l’étoile compagnon suggère que le trou noir s’est formé après l’effondrement d’une étoile massive contenant très peu d’éléments lourds, ou métaux, comme le prédit la théorie. Cette vidéo résume la découverte. Crédit : ESO
Lorsqu’un trou noir n’a pas de compagnon suffisamment proche pour lui voler de la matière, il ne génère aucune lumière et est extrêmement difficile à repérer. Ces trous noirs sont appelés « dormants ».
Pour préparer la sortie du prochain catalogue Gaia, Data Release 4 (DR4), les scientifiques vérifient les mouvements de milliards d'étoiles et effectuent des tests complexes pour voir si quelque chose sort de l'ordinaire. Les mouvements des étoiles peuvent être affectés par leurs compagnons : les étoiles légères, comme les exoplanètes ; les plus lourds, comme les étoiles ; ou très lourds, comme les trous noirs. Des équipes dédiées sont en place au sein de la Collaboration Gaia pour enquêter sur tout cas « étrange ».
L’une de ces équipes était profondément engagée dans ce travail lorsque son attention s’est portée sur une vieille étoile géante de la constellation de l’Aquila, à une distance de 1 926 années-lumière de la Terre. En analysant en détail les oscillations de la trajectoire de l'étoile, ils ont découvert une grande surprise. L'étoile était enfermée dans un mouvement orbital avec un trou noir dormant d'une masse exceptionnellement élevée, environ 33 fois celle du Soleil.
Il s’agit du troisième trou noir dormant trouvé avec Gaia et porte bien son nom de « Gaia BH3 ». Sa découverte est très passionnante en raison de la masse de l'objet. « C'est le genre de découverte que l'on fait une fois dans sa vie de chercheur », s'exclame Pasquale Panuzzo du CNRS, Observatoire de Paris, en France, qui est l'auteur principal de cette découverte. « Jusqu'à présent, des trous noirs de cette taille n'ont été détectés que dans des galaxies lointaines par le LIGO–Collaboration Vierge–KAGRA, grâce aux observations de ondes gravitationnelles.»
La masse moyenne des trous noirs d’origine stellaire connus dans notre galaxie est environ 10 fois supérieure à la masse de notre Soleil. Jusqu'à présent, le record de poids était détenu par un trou noir dans une binaire à rayons X dans la constellation du Cygne (Cyg X-1), dont la masse est estimée à environ 20 fois celle du Soleil.
« Il est impressionnant de constater l'impact transformationnel de Gaia sur l'astronomie et l'astrophysique », note le professeur Carole Mundell, directrice scientifique de l'ESA. « Ses découvertes vont bien au-delà de l'objectif initial de la mission, qui est de créer une carte multidimensionnelle extraordinairement précise de plus d'un milliard d'étoiles à travers notre Voie Lactée. »
Précision inégalée
La qualité exceptionnelle des données de Gaia a permis aux scientifiques de déterminer la masse du trou noir avec une précision sans précédent. précision et fournissent la preuve la plus directe de l’existence de trous noirs dans cette gamme de masse.
Les astronomes sont confrontés à la question urgente d’expliquer l’origine de trous noirs aussi grands que Gaia BH3. Notre compréhension actuelle de la façon dont les étoiles massives évoluent et meurent n’explique pas immédiatement comment ces types de trous noirs sont apparus.
La plupart des théories prédisent qu’en vieillissant, les étoiles massives perdent une partie importante de leur matière à cause des vents puissants ; Finalement, elles sont en partie projetées dans l’espace lorsqu’elles explosent en supernova. Ce qui reste de leurs principaux contrats futurs pour devenir soit un étoile à neutrons ou un trou noir, selon sa masse. Les noyaux suffisamment gros pour former des trous noirs d’une masse 30 fois supérieure à celle de notre Soleil sont très difficiles à expliquer.
Pourtant, un indice pour résoudre cette énigme pourrait se trouver très près de Gaia BH3.
Un compagnon intrigant
L'étoile en orbite autour de Gaia BH3 à environ 16 fois la distance Soleil-Terre est plutôt rare : une ancienne étoile géante, qui s'est formée au cours des deux premiers milliards d'années après le Big Bang, au moment où notre galaxie a commencé à s'assembler. Il appartient à la famille du halo stellaire galactique et se déplace dans la direction opposée aux étoiles du disque galactique. Sa trajectoire indique que cette étoile faisait probablement partie d'une petite galaxie, ou amas globulaire, engloutie par notre propre galaxie il y a plus de huit milliards d'années.
L’étoile compagne contient très peu d’éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium, ce qui indique que l’étoile massive devenue Gaia BH3 aurait également pu être très pauvre en éléments lourds. C'est remarquable. Cela conforte, pour la première fois, la théorie selon laquelle les trous noirs de masse élevée observés par les expériences sur les ondes gravitationnelles ont été produits par l'effondrement d'étoiles massives primitives pauvres en éléments lourds. Ces premières étoiles pourraient avoir évolué différemment des étoiles massives que nous voyons actuellement dans notre galaxie.
La composition de l’étoile compagne peut également éclairer le mécanisme de formation de cet étonnant système binaire. « Ce qui me frappe, c'est que la composition chimique du compagnon est similaire à celle que l'on retrouve dans les vieilles étoiles pauvres en métaux de la galaxie », explique Elisabetta Caffau du CNRS, Observatoire de Paris, également membre de la collaboration Gaia.
« Il n'y a aucune preuve que cette étoile ait été contaminée par la matière projetée par l'explosion en supernova de l'étoile massive devenue BH3. » Cela pourrait suggérer que le trou noir n'a acquis son compagnon qu'après sa naissance, en le capturant depuis un autre système.
Apéritif savoureux
La découverte du Gaia BH3 n’est qu’un début et il reste encore beaucoup à étudier sur sa nature déroutante. Maintenant que la curiosité des scientifiques est éveillée, ce trou noir et son compagnon feront sans doute l'objet de nombreuses études approfondies à venir.
La collaboration Gaia est tombée sur ce « géant endormi » en vérifiant les données préliminaires en vue de la quatrième version du catalogue Gaia. Parce que la découverte est si exceptionnelle, ils ont décidé de l'annoncer avant la sortie officielle.
La prochaine publication des données Gaia promet d’être une mine d’or pour l’étude des systèmes binaires et la découverte d’autres trous noirs dormants dans notre galaxie. « Nous avons travaillé extrêmement dur pour améliorer la façon dont nous traitons des ensembles de données spécifiques par rapport à la version précédente (DR3), nous espérons donc découvrir beaucoup plus de trous noirs dans DR4 », conclut Berry Holl de l'Université de Genève, en Suisse, membre de la collaboration Gaia.
