Vue d’artiste du trou noir. Crédit : ESA/Hubble (M. Kornmesser)
Nos télescopes n’ont jamais détecté de trou noir plus massive que vingt fois la masse du Soleil. Néanmoins, nous connaissons maintenant leur existence, car des dizaines de ces trous noirs ont récemment été « entendu » pour fusionner via le rayonnement des ondes gravitationnelles. Une équipe d’astronomes dirigée par Peter Jonker (SRON/Université Radboud) a maintenant découvert que ces résultats apparemment disparates peuvent s’expliquer par des biais contre les trous noirs massifs dans les observations de télescopes conventionnels.
En 2015, le LIGO installations détectées ondes gravitationnelles pour la première fois. Ils ont été émis par deux trous noirs massifs de plusieurs dizaines de la masse du Soleil en train de fusionner. Cette découverte a secoué l’Univers, ainsi que la communauté astronomique, car peu d’astronomes avaient prédit l’existence de trous noirs aussi massifs, sans parler de leur fusion. Avant les détections d’ondes gravitationnelles, nos télescopes conventionnels avaient trouvé la preuve de l’existence de trous noirs de masse stellaire dans une vingtaine de cas. Cependant, aucun n’avait jamais été trouvé qui était aussi massif que ceux maintenant observés par le rayonnement des ondes gravitationnelles émis lors de la fusion. À ce jour, environ 50 de ces paires de trous noirs fusionnants ont été détectées, y compris par le détecteur européen Virgo, toujours dans la plupart des cas impliquant des trous noirs massifs. Les télescopes n’ont toujours pas trouvé de tels trous noirs.
Cette disparité peut s’expliquer en partie par le plus grand volume de l’Univers qui est sondé par les détecteurs d’ondes gravitationnelles. LIGO-Virgo peut trouver plus facilement de tels trous noirs plus massifs car leurs ondes sont plus fortes que celles des trous noirs plus légers, ce qui implique qu’il pourrait s’agir d’événements rares mais bruyants. Mais zéro détection de tels trous noirs à l’aide de télescopes ? Les trous noirs, ou du moins leur environnement proche, s’illuminent lorsqu’ils dévorent lentement une étoile compagne. Grâce à des mesures du mouvement orbital de la malheureuse étoile, la masse du trou noir peut être déterminée.
Les mesures utilisant le rayonnement électromagnétique (EM) n’ont révélé que des trous noirs stellaires moins massifs qu’environ 20 masses solaires (cercles violets). Ces trous noirs ont tous une étoile compagne qui perd de la masse au profit du trou noir. Ce flux gazeux révèle l’existence du trou noir et l’étude détaillée du mouvement du compagnon permet de mesurer la masse du trou noir.
Les mesures LIGO/Virgo du rayonnement des ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de deux trous noirs ont permis de mesurer les masses de plusieurs dizaines de trous noirs depuis 2015 (cercles bleus). Ces trous noirs sont généralement plus massifs que ceux trouvés par rayonnement EM. Nous savons maintenant que le manque de trous noirs massifs étudiés par les techniques EM peut être causé par un biais contre la recherche et l’étude des trous noirs massifs. Incidemment, les mesures LIGO/Virgo favorisent la détection de trous noirs massifs car le signal de leurs fusions est plus fort et peut donc être détecté à partir de systèmes plus éloignés dans l’Univers par rapport au signal de fusion de trous noirs de masse inférieure. Néanmoins, LIGO/Virgo détecte également des trous noirs de fusion de masse inférieure. Dans un futur proche, le télescope JWST permettra de supprimer le biais EM. En raison de sa sensibilité, les astronomes pourront mesurer la masse des systèmes candidats de trous noirs situés aux endroits où les trous noirs les plus massifs sont censés résider.
Crédit : Aaron M. Geller, Northwestern University et Frank Elavsky, LIGO-Virgo
Une équipe d’astronomes dirigée par Peter Jonker (Radboud University/SRON) s’est rendu compte que les observations au télescope sont biaisées par rapport à la détection de trous noirs massifs. De tels trous noirs massifs peuvent, en principe, être observés s’ils mangent la masse d’une étoile compagne. Cependant, les circonstances de ces observations ont été trop difficiles dans la pratique, expliquant le manque de détections de trous noirs massifs grâce aux observations au télescope. Les plus gros trous noirs sont formés par l’implosion d’étoiles massives, au lieu d’explosions d’étoiles massives (« supernova »). Formé par une implosion, ces trous noirs massifs restent au même endroit où leur prédécesseur (l’étoile massive) est né, le plan du voie Lactée galaxie. Cependant, cela signifie qu’ils restent enveloppés de poussière et de gaz. Leurs frères et sœurs de trous noirs plus légers, nés d’étoiles massives lors d’explosions de supernova, subissent un coup de pied les éjectant du plan de la Voie lactée, les rendant plus facilement observables pour nos télescopes mesurant leur masse.
Pour aggraver ce biais, comme l’ont réalisé Jonker et ses collègues, toute étoile compagnon d’un trou noir massif doit orbiter à une distance relativement grande, ce qui rend plus rare qu’une étoile compagnon soit dévorée dans une frénésie observable. De tels épisodes sont ce qui révèle l’existence et l’emplacement des trous noirs. Ainsi, les trous noirs les plus massifs révéleront plus rarement leur emplacement.
Le lancement imminent du télescope spatial James Webb (JWST) le 18 décembre permettra aux astronomes de tester ces idées. JWST permettra pour la première fois de mesurer la masse de plusieurs systèmes de trous noirs candidats dans le plan de la Voie lactée. JWST sera sensible à la lumière infrarouge, et cette lumière est beaucoup moins affectée par la poussière et le gaz que la lumière optique généralement utilisée par les télescopes au sol. De plus, la grande taille de JWST et sa position avantageuse dans l’espace permettent à JWST de choisir la bonne étoile à étudier parmi les millions d’étoiles du plan de la Voie lactée. Enfin, étant au-dessus de l’atmosphère terrestre, JWST ne sera pas gêné par la lumière infrarouge émise par l’atmosphère.
Référence : « La distribution de masse observée des LMXB des trous noirs galactiques est biaisée contre les trous noirs massifs » par Peter G. Jonker, Karamveer Kaur, Nicholas Stone et Manuel AP Torres, 9 novembre 2021, Le Journal d’Astrophysique.
DOI : 10.3847/1538-4357/ac2839
