Des astronomes polonais ont découvert le premier trou noir libre

L’existence d’un trou noir libre dans la Voie Lactée a été reconnue grâce à de nombreuses années d’observations réalisées dans le cadre du projet OGLE, mis en œuvre par l’Université de Varsovie. Ce projet utilise ce qu’on appelle une lentille microgravitationnelle, qui est un effet de la relativité générale. Le phénomène de microlentille se produit lorsque la lumière provenant d’une source distante est déviée par un objet plus proche appelé lentille.

Les scientifiques du projet OGLE ont observé le phénomène de microgravité le 2 juin 2011, désigné OGLE-2011-BLG-0462. Dans le même temps, il a également été enregistré dans le projet du ministère de l’Agriculture de la Nouvelle-Zélande et du Japon. Au moment de la découverte de la luminosité, due à la lentille sans doute fine, on ne pensait clairement pas que cet objet se révélerait si intéressant et révolutionnaire en astrophysique. C’est devenu un autre joyau parmi les 22 000 phénomènes de microlentilles que nous avons découverts », a noté le professeur Andrei Udelsky de l’Observatoire astronomique de l’Université de Varsovie, citant le communiqué de presse.

La modélisation suggère que l’objet invisible provoquant la micro-lentille de gravité a une masse de 7 ou 4,2 fois la masse du Soleil. Ce sont les résultats des deux équipes de recherche – la différence est due à une manière légèrement différente d’analyser les données, mais les blocs suggèrent que l’objet le plus probable ici est un trou noir.

Les trous noirs sont des objets qui ont une telle gravité que rien ne peut s’en échapper, pas même la lumière. Les premières considérations théoriques sur de tels objets sont apparues au XVIIIe siècle, mais le développement approprié de leur recherche s’est produit au XXe siècle. Pendant de nombreuses années, ce n’étaient que des choses hypothétiques, prédites par la théorie, mais le développement des techniques d’observation a permis d’obtenir des preuves observationnelles de leur existence.

La première chose qui détecte un trou noir est le système binaire Cygnus X-1. Actuellement, nous connaissons déjà des dizaines d’autres systèmes binaires de trous noirs de masse solaire. Ces dernières années, grâce à la découverte des ondes gravitationnelles, davantage de cas de trous noirs ont été confirmés.

Outre les trous noirs de masse stellaire, l’existence de tels objets est également connue, mais leurs masses sont des centaines de millions voire des milliards de masses solaires. On suppose que ces objets sont situés au centre des galaxies et des quasars. Les scientifiques ont même pu obtenir des images de deux trous noirs supermassifs (photos de leurs ombres) : dans la galaxie M87 et au centre de la Voie lactée.

Or, ces états de trous noirs sont des objets dans des systèmes binaires avec une étoile ou entourés de matière tombant dessus ou en orbite autour d’étoiles et de nuages, ce qui permet de détecter la présence d’un objet invisible. La théorie de l’évolution stellaire prédit que des trous noirs devraient se former à la fin de l’évolution des étoiles massives. Il devrait y avoir beaucoup de ces choses lorsque vous voyagez seul. Mais comment le découvrir puisque les méthodes classiques ne sont pas applicables ici ?

Les astronomes du projet OGLE ont une réponse à cela et viennent de montrer que cela fonctionne – en découvrant le premier trou noir libre. Les objets non lumineux peuvent être détectés à l’aide de la technologie de microgravité. Lorsqu’un objet énorme se trouve sur le chemin des rayons lumineux, il perturbe son chemin. La gravité agit comme une lentille géante et magnifie la lumière d’une étoile lointaine. En observant depuis la Terre, nous verrons alors la luminosité d’une étoile lointaine, changer de manière caractéristique. La microlentille est basée sur le poids de la lentille, et non sur sa luminosité, c’est donc un excellent moyen de détecter des objets invisibles, tels que des trous noirs isolés.

Plus la masse du corps de la lentille est grande, plus la période de microgravité de la lentille sera longue. Dans le cas d’une lentille à plusieurs masses solaires (c’est-à-dire dans la gamme des masses des trous noirs), ce phénomène peut persister plusieurs années. Pour les lentilles massives, vous pouvez remarquer un effet supplémentaire appelé lentille micro-astroscopique. Elle est très difficile à détecter, et elle consiste dans le fait qu’au cours de la microgravité, la position de la source lumineuse (étoile lointaine) sur la sphère céleste change très peu. Des observations optiques et astrométriques simultanées de la microlentille permettent de déterminer la masse du corps de la lentille, et donc de déterminer le type de cet objet.

L’équipe OGLE a régulièrement surveillé la lentille micro-gravitationnelle OGLE-2011-BLG-0462 pendant neuf ans et a collecté 15 545 minutes de mesures de la luminosité de l’objet, qui ont été utilisées pour modéliser l’effet photovoltaïque du phénomène. Une fois que l’on a su que l’échelle de temps du phénomène est longue (et donc l’objectif est énorme), dans la seconde moitié de 2011, une équipe de scientifiques dirigée par le Prof. Kailasha Sahu du Space Telescope Science Institute (USA) a commencé ses observations avec le télescope spatial Hubble en prenant des mesures astronomiques. Les années suivantes, d’autres mesures ont été effectuées et en 2021 elles ont été complétées par des mesures d’une autre équipe dirigée par le doctorant Casey Lamm et le professeur. Jessica Low de l’Université de Californie, Berkeley (États-Unis).

“Les résultats de la modélisation indiquent clairement que le phénomène OGLE-2011-BLG-0462 a été causé par un objet massif avec une masse de plusieurs masses solaires. Puisque la lumière d’une étoile ordinaire de cette masse peut être facilement enregistrée, la lentille devrait être une objet non lumineux – un trou noir libre avec une masse stellaire » – explique le Dr Przemyslav Mroz – membre de l’équipe OGLE impliquée dans la modélisation apparente.

La découverte du premier trou noir libre dans la Voie lactée confirme les hypothèses selon lesquelles il doit y avoir de nombreux objets de ce type. C’est aussi l’ouverture d’une nouvelle méthode de détection des trous noirs. Les scientifiques espèrent trouver davantage de cas de trous noirs isolés, notamment grâce à l’observatoire spatial Gaia, qui permettra d’estimer le nombre de tels objets dans notre galaxie, ainsi que de déterminer la répartition de leurs masses.

Les co-auteurs polonais de deux publications dans The Astrophysical Journal (arXiv : 2201.13296) et The Astrophysical Journal Letters (arXiv : 2202.01903) liées à la découverte d’un trou noir libre sont : Andrzej Udalski, Przemysław Mróz, Szymon Kozłowski, Pawez Pietrukowic, Poljeádsko Polski, , Igor Sosinsky, Michael K.