De nombreux trous noirs détectés jusqu’à présent semblent exister en binômes. Ces systèmes binaires consistent en un trou noir et un objet secondaire, tel qu’une étoile, une étoile à neutrons très dense, ou un autre trou noir, qui gravitent l’un autour de l’autre, attirés par la gravité du trou noir pour former une paire orbitale serrée.
Aujourd’hui, une découverte surprenante élargit notre compréhension des trous noirs, des objets qu’ils peuvent abriter et de leur formation.
Dans une étude publiée aujourd’hui dans Nature, des physiciens du MIT et de Caltech rapportent avoir observé pour la première fois un « triple trou noir ». Ce nouveau système contient un trou noir central qui consomme une petite étoile en spirale très proche de lui, tous les 6,5 jours, une configuration similaire à la plupart des systèmes binaires. Mais de manière surprenante, une deuxième étoile semble également tourner autour du trou noir, bien qu’à une distance beaucoup plus grande. Les physiciens estiment que ce lointain compagnon orbite autour du trou noir tous les 70 000 ans.
Le fait que le trou noir semble avoir une emprise gravitationnelle sur un objet si éloigné soulève des questions sur les origines du trou noir lui-même. On pense que les trous noirs se forment à partir de l’explosion violente d’une étoile mourante – un processus connu sous le nom de supernova, où une étoile libère une énorme quantité d’énergie et de lumière dans une explosion finale avant de s’effondrer en un trou noir invisible.
La découverte de l’équipe suggère cependant que si le trou noir nouvellement observé résultait d’une supernova typique, l’énergie qu’il aurait libérée avant son effondrement aurait repoussé tous les objets vaguement liés à sa périphérie. La deuxième étoile extérieure ne devrait donc plus traîner.
Au lieu de cela, l’équipe soupçonne que le trou noir s’est formé par un processus plus doux d’« effondrement direct », dans lequel une étoile s’effondre simplement sur elle-même, formant un trou noir sans dernier éclair dramatique. Une origine aussi douce ne perturberait guère les objets lointains et vaguement liés.
Étant donné que le nouveau système triple comprend une étoile très lointaine, cela suggère que le trou noir du système est né d’un effondrement direct et plus doux. Et tandis que les astronomes observent des supernovae plus violentes depuis des siècles, l’équipe affirme que le nouveau système triple pourrait être la première preuve d’un trou noir formé à partir de ce processus plus doux.
« Nous pensons que la plupart des trous noirs se forment à partir de violentes explosions d’étoiles, mais cette découverte contribue à remettre cela en question », déclare l’auteur de l’étude Kevin Burdge, chercheur Pappalardo au département de physique du MIT. « Ce système est extrêmement excitant pour l’évolution des trous noirs, et il soulève également la question de savoir s’il existe davantage de triples. »
Les co-auteurs de l’étude au MIT sont Erin Kara, Claude Canizares, Deepto Chakrabarty, Anna Frebel, Sarah Millholland, Saul Rappaport, Rob Simcoe et Andrew Vanderburg, ainsi que Kareem El-Badry de Caltech.
Mouvement tandem
La découverte du triple trou noir s’est produite presque par hasard. Les physiciens l’ont découvert en parcourant Aladin Lite, un référentiel d’observations astronomiques, regroupées à partir de télescopes dans l’espace et partout dans le monde. Les astronomes peuvent utiliser l’outil en ligne pour rechercher des images de la même partie du ciel, prises par différents télescopes réglés sur différentes longueurs d’onde d’énergie et de lumière.
L’équipe recherchait dans la Voie lactée des signes de nouveaux trous noirs. Par curiosité, Burdge a examiné une image de V404 Cygni — un trou noir situé à environ 8 000 années-lumière de la Terre qui a été l’un des tout premiers objets à avoir été confirmé comme étant un trou noir, en 1992. Depuis lors, V404 Cygni est devenu l’un des les trous noirs les mieux étudiés et ont été documentés dans plus de 1 300 articles scientifiques. Cependant, aucune de ces études n’a rapporté ce que Burdge et ses collègues ont observé.
Alors qu’il regardait les images optiques du V404 Cygni, Burdge a vu ce qui semblait être deux gouttes de lumière, étonnamment proches l’une de l’autre. La première goutte était ce que d’autres ont déterminé comme étant le trou noir et une étoile intérieure en orbite proche. L’étoile est si proche qu’elle libère une partie de sa matière sur le trou noir et émet la lumière que Burdge pouvait voir. Cependant, la deuxième goutte de lumière était quelque chose que les scientifiques n’avaient pas étudié de près jusqu’à présent. Cette deuxième lumière, détermina Burge, provenait très probablement d’une étoile très lointaine.
« Le fait que nous puissions voir deux étoiles distinctes sur une telle distance signifie en fait que les étoiles doivent être très éloignées l’une de l’autre », explique Burdge, qui a calculé que l’étoile extérieure se trouve à 3 500 unités astronomiques (UA) du trou noir (1 UA est la distance entre la Terre et le Soleil). En d’autres termes, l’étoile extérieure est 3 500 fois plus éloignée du trou noir que la Terre l’est du soleil. Cela équivaut également à 100 fois la distance entre Pluton et le soleil.
La question qui nous est alors venue à l’esprit était de savoir si l’étoile extérieure était liée au trou noir et à son étoile intérieure. Pour répondre à cette question, les chercheurs se sont tournés vers Gaia, un satellite qui suit avec précision les mouvements de toutes les étoiles de la galaxie depuis 2014. L’équipe a analysé les mouvements des étoiles intérieures et extérieures au cours des 10 dernières années de données Gaia et a découvert que les étoiles se déplaçaient exactement en tandem, par rapport aux autres étoiles voisines. Ils ont calculé que la probabilité de ce type de mouvement en tandem est d’environ une sur 10 millions.
« Ce n’est certainement pas une coïncidence ou un accident », déclare Burge. « Nous voyons deux étoiles qui se suivent parce qu’elles sont attachées par cette faible chaîne de gravité. Il doit donc s’agir d’un triple système.
Tirer les ficelles
Comment, alors, le système a-t-il pu se former ? Si le trou noir était issu d’une supernova typique, la violente explosion aurait chassé l’étoile extérieure depuis longtemps.
« Imaginez que vous tirez un cerf-volant et qu’au lieu d’une corde solide, vous tirez avec une toile d’araignée », explique Burdge. « Si vous tiriez trop fort, la toile se briserait et vous perdriez le cerf-volant. La gravité est comme cette corde à peine liée qui est vraiment faible, et si vous faites quelque chose de dramatique avec le binaire intérieur, vous allez perdre l’étoile extérieure.
Cependant, pour tester réellement cette idée, Burge a effectué des simulations pour voir comment un tel système triple aurait pu évoluer et conserver l’étoile extérieure.
Au début de chaque simulation, il introduisait trois étoiles (la troisième étant le trou noir, avant qu’il ne devienne un trou noir). Il a ensuite exécuté des dizaines de milliers de simulations, chacune avec un scénario légèrement différent sur la manière dont la troisième étoile aurait pu devenir un trou noir et affecter par la suite les mouvements des deux autres étoiles. Par exemple, il a simulé une supernova, en faisant varier la quantité et la direction de l’énergie qu’elle dégageait. Il a également simulé des scénarios d’effondrement direct, dans lesquels la troisième étoile s’effondrerait simplement sur elle-même pour former un trou noir, sans dégager aucune énergie.
« La grande majorité des simulations montrent que le moyen le plus simple de faire fonctionner ce triple est l’effondrement direct », explique Burdge.
En plus de donner des indices sur les origines du trou noir, l’étoile extérieure a également révélé l’âge du système. Les physiciens ont observé que l’étoile extérieure était en train de devenir une géante rouge, une phase qui se produit à la fin de la vie d’une étoile. Sur la base de cette transition stellaire, l’équipe a déterminé que l’étoile extérieure a environ 4 milliards d’années. Étant donné que les étoiles voisines naissent à peu près au même moment, l’équipe conclut que le triple trou noir a également 4 milliards d’années.
« Nous n’avons jamais pu faire cela auparavant pour un vieux trou noir », explique Burdge. « Maintenant, nous savons que V404 Cygni fait partie d’un triplet, il aurait pu se former à partir d’un effondrement direct, et il s’est formé il y a environ 4 milliards d’années, grâce à cette découverte. »
Ce travail a été soutenu, en partie, par la National Science Foundation.
