Les physiciens pensent avoir repéré un trou noir très rare

Les rayons gamma se plieraient autour du trou noir et renverraient des signatures légèrement décalées de l'autre côté.

Le 30 août 1995, une lumière vieille de 10 milliards d'années de l'univers primitif a finalement frappé l'observatoire à rayons gamma de Compton, qui tournait en orbite terrestre. Une équipe de recherche australienne rapporte maintenant que le sursaut gamma contenait la preuve d'un trou noir de masse intermédiaire extrêmement rare, le genre qui aiderait à combler un vide dans notre compréhension de ces énigmes cosmiques.

Les trous noirs sont généralement classés en trois tailles. Les plus petits sont des trous noirs de taille stellaire , qui, comme leur nom l'indique, ont à peu près la masse de certaines étoiles et peuvent être de quelques à cent fois la masse de notre Soleil. Ensuite, il y a les trous noirs de masse intermédiaire peu connus et seulement provisoirement décrits , qui vont de 100 masses solaires à 100 000 masses solaires. À l'extrémité de l'échelle se trouvent les trous noirs supermassifs, qui représentent 100 000 masses solaires ou plus. Certains sont des milliards de fois la taille de notre Soleil, comme le trou noir célèbre en 2019 .

Il existe des trous noirs de masse intermédiaire, mais contrairement à leurs compatriotes de plus en plus petits, ils offrent peu à nos télescopes qui tentent de les repérer. Les éventuels trous noirs de taille moyenne sont rarement trouvés, bien que les astrophysiciens aient quelques idées sur où chercher et aient même nommé quelques candidats ces dernières années. Il n'y a qu'une poignée d'objets observés soupçonnés d'être un trou noir de masse intermédiaire.

L'analyse récente par l'équipe des données de 26 ans a été publiée cette semaine dans la revue Nature Astronomy. Ce n'est pas le premier candidat de trou noir de masse intermédiaire signalé, mais c'est le premier détecté à l'aide de rayons gamma.

Lorsque des candidats de trous noirs de masse intermédiaire sont mis en avant, c'est généralement grâce à des preuves qui impliquent un objet de leur description gravitationnelle et massive. Les trous noirs supermassifs attirent tellement de choses lumineuses près d'eux qu'ils sont faciles à repérer, et les trous noirs de masse stellaire sont souvent vus en orbite par les étoiles. Les trous noirs intermédiaires restent dans l'ombre, mais s'ils sont étudiés plus avant, ils pourraient aider à expliquer comment les trous noirs plus grands sont devenus si grands et combien de trous noirs au total pourraient y avoir.

«Ceux de notre galaxie, où qu'ils se trouvent, ne doivent pas être des gaz d'accrétion, donc ils flottent librement dans l'espace sans que rien ne tombe dedans et ne les fasse briller, soit ils sont au centre d'amas globulaires, et ils sont protégés par toutes les étoiles », a déclaré James Paynter, astrophysicien à l'Université de Melbourne en Australie, lors d'un appel vidéo. «Où que se trouvent ces trous noirs de masse intermédiaire, ils ne font rien qui trahit le fait qu'ils sont là.»

Un trou noir simulé et son disque d'accrétion.

En examinant l'ensemble de données Compton de milliers de sursauts gamma observés, l'équipe de Paynter a parcouru chaque rafale à l'aide d'un script automatisé, à la recherche de sursauts consécutifs rapides et presque identiques. Cette signature suggérerait qu'une seule explosion s'est produite, mais a emprunté deux chemins pour se déplacer autour d'un objet énorme dans le cosmos. (Pensez à deux ruisseaux d'eau se précipitant en aval autour d'un rocher.) Cela entraînerait l'enregistrement du sursaut gamma deux fois, mais un aspect très similaire dans les données; ce serait un exemple de «lentille gravitationnelle», dans laquelle l'extrême gravité d'un objet dans le cosmos plie la lumière autour de lui-même.

L'équipe n'a trouvé qu'une seule rafale qui correspondait à la facture, une à deux coups de rayonnement gamma à quelques millisecondes d'intervalle. Les caractéristiques de l'événement de lentille ont permis à l'équipe d'estimer la masse de l'objet qui l'a causé, ce qui, selon eux, ne pouvait être que quelques choses: un amas globulaire (un nœud d'étoiles étroitement lié), un halo de matière noire (essentiellement un invisible aura de gravité qui s'étend au-delà d'un objet massif), ou un trou noir. Ils ont éliminé les deux premiers en tant que possibilités, laissant un trou noir de masse intermédiaire comme principal suspect pour la lentille.

Tod Strohmayer, astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA qui n'est pas affilié au nouveau document, a déclaré que les sursauts gamma «sont de deux types». Certains sont relativement longs, allant de quelques dizaines à des centaines de secondes, et d'autres sont courts - de simples millisecondes. Le fait que cette rafale appartienne  au dernier groupe, mais se soit produite deux fois, indique un événement de lentille, a-t-il déclaré.

«C'est une découverte intéressante en ce sens qu'elle semble correspondre à ce à quoi vous vous attendriez s'il s'agissait effectivement d'un événement à lentille gravitationnelle», a déclaré Strohmayer lors d'un appel téléphonique. «C'est cohérent avec cette interprétation, mais pour le moment, il y a une indication que c'est ce que cela pourrait être ... vous devrez observer beaucoup de sursauts gamma si vous vouliez en voir plus.

Les trous noirs intermédiaires sont importants parce que nous ne savons pas à quel point les trous noirs supermassifs deviennent si grands. Ils pourraient être supermassifs dès le départ, engendrés hors de l'univers primordial, ou ils pourraient être des trous noirs intermédiaires qui accumulent de la matière et grossissent. Ils pourraient également se former lorsque des trous noirs intermédiaires, eux-mêmes issus de l'univers primordial, fusionnent les uns avec les autres, se fondant dans les mastodontes que nous connaissons aujourd'hui. Cet article ne résout pas le mystère, mais il soulève un nouveau moyen intrigant d'augmenter notre échantillon de trou noir de taille moyenne. Avec de nouveaux candidats pour les trous noirs de masse intermédiaire, les astrophysiciens ont de nouvelles opportunités pour sonder ce qui a donné naissance aux plus gros objets de l'univers, qui se sont formés il y a assez longtemps pour que leur masse soit confondante.

Un développement utile, a déclaré Strohmayer, serait la venue d'un trou noir de masse intermédiaire avec une étoile compagnon en orbite. Cela aiderait à certifier le statut de l'un de ces objets candidats comme étant la chose réelle. Heureusement que l'Observatoire de Compton a capté le sursaut en écho, il s'agissait malheureusement d'une technologie d'avant le millénaire. À la résolution dans laquelle il fonctionnait, l'observatoire n'était pas en mesure de détecter d'où venait la rafale dans l'univers - simplement qu'elle était arrivée.

Le signal reçu en 1995 est donc alléchant. Quelque part là-bas, quelque chose de grand a forcé la lumière autour de lui-même, nous montrant un autre trou noir possible caché entre les deux. L'équipe de Paynter n'a parcouru qu'environ un quart des données de l'observatoire, il est donc possible que d'autres événements soient sélectionnés.

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