Ce sont des périodes fastes pour les astronomes à la recherche de trous noirs. Les plus grands – des trous noirs supermassifs qui peuvent peser des milliards de soleils – ont été trouvés au centre de la plupart des galaxies, et nous avons même réussi à en imaginer un. Pendant ce temps, les chercheurs détectent désormais régulièrement les ondes gravitationnelles qui se propagent dans l’univers à partir de petits trous noirs fusionnés. Plus près de chez nous, nous avons été témoins des spectaculaires feux d’artifice célestes produits lorsque le propre trou noir supermassif de la Voie lactée et ses cousins plus petits se nourrissent de nuages de gaz ou même d’étoiles entières. Jamais auparavant, cependant, nous n’avions vu un phénomène prédit depuis longtemps : un trou noir isolé dérivant sans but dans l’espace, né et rejeté par l’effondrement du noyau d’une étoile massive.
Jusqu’à maintenant.
Les scientifiques ont annoncé la toute première découverte sans ambiguïté d’un trou noir flottant librement, un vagabond voyou dans le vide à quelque 5 000 années-lumière de la Terre. Le résultat, qui est apparu le 31 janvier sur le serveur de préimpression arXiv mais n’a pas encore été évalué par des pairs, représente l’aboutissement de plus d’une décennie de recherche ardente. “C’est super excitant”, déclare Marina Rejkuba de l’Observatoire européen austral en Allemagne, co-auteur de l’article. “Nous pouvons réellement prouver que des trous noirs isolés sont là.” Cette découverte n’est peut-être qu’un début; les enquêtes en cours et les missions à venir devraient trouver des dizaines, voire des centaines d’autres voyageurs sombres et solitaires. “C’est la pointe de l’iceberg”, déclare Kareem El-Badry du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, qui n’a pas participé à l’article.
En 1919, l’astronome britannique Arthur Stanley Eddington réalisa une expérience célèbre. Les théories d’Einstein sur la relativité restreinte et générale avaient postulé que les objets massifs devraient provoquer une brèche dans l’espace-temps, en déformant les rayons de lumière à proximité dans un processus connu sous le nom de lentille gravitationnelle. Eddington a prouvé que cela était vrai lors d’une éclipse solaire totale, lorsque l’éblouissement du soleil a été minimisé afin que les étoiles d’arrière-plan adjacentes dans les cieux puissent être vues. En utilisant une technique connue sous le nom d’astrométrie, il a soigneusement noté les positions de ces étoiles avant et pendant l’éclipse, révélant un changement subtil dans leurs emplacements apparents dans le ciel en raison de leur lumière déformée par l’attraction gravitationnelle considérable de notre étoile. “La position apparente des étoiles s’est légèrement modifiée”, explique Feryal Özel de l’Université de l’Arizona, qui n’a pas non plus participé à l’article.
Au cours des décennies suivantes, les scientifiques ont réalisé une nouvelle utilisation de cette technique. Les étoiles dont la masse est supérieure à environ 20 fois la masse de notre Soleil devraient former des trous noirs en fin de vie, lorsque leur noyau lourd s’effondre sous leur propre poids suite à l’épuisement de leur combustible thermonucléaire. La naissance d’un tel trou noir de masse stellaire – une sphère de la taille d’une ville contenant jusqu’à des dizaines de fois la masse de notre soleil – s’accompagne souvent d’une supernova brillante provenant des énormes énergies libérées par l’effondrement du noyau. Ces forces peuvent être si importantes qu’elles expulsent parfois le trou noir nouveau-né de son ventre lors d’une croisière interstellaire sans fin. Cette soif de voyager cosmique, ainsi que la petite taille des trous noirs et leur obscurité inhérente, devraient les rendre presque impossibles à voir. Le travail d’Eddington, cependant, a suggéré que ces parias pourraient être trouvés en observant leurs effets de lentille – généralement un éclaircissement transitoire révélateur de toutes les étoiles d’arrière-plan que les trous noirs traversent dans notre champ de vision. Les chances de voir un tel événement pour un trou noir isolé étaient minces, mais étant donné que des millions de trous noirs de masse stellaire devraient dériver à travers notre galaxie, certains pourraient apparaître dans des relevés suffisamment larges et profonds du ciel.
Plusieurs projets recherchent maintenant ces événements et d’autres soi-disant microlentilles, y compris l’expérience de lentille gravitationnelle optique (OGLE), dirigée par l’Université de Varsovie en Pologne, et l’enquête Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) menée par des chercheurs en Nouvelle-Zélande et Japon. En juin 2011, ces deux relevés ont repéré quelque chose d’intéressant : une étoile qui s’éclaire soudainement à 20 000 années-lumière vers le renflement galactique dense au centre de la Voie lactée. Cela aurait-il pu être un événement de microlentille provenant d’un trou noir voyou ? Les astronomes ont couru pour le savoir.
Parmi eux se trouvait Kailash Sahu du Space Telescope Science Institute de Baltimore, l’auteur principal de la préimpression arXiv détaillant la découverte de l’objet. À l’aide du télescope spatial Hubble, lui et ses collègues ont zoomé sur l’étoile quelques semaines après son éclaircissement, puis y sont retournés encore et encore au cours des six années suivantes. Ils ont pu confirmer que la lumière de l’étoile avait été agrandie, indiquant la présence d’un objet de lentille invisible, mais ils ont trouvé quelque chose d’encore plus important. La position apparente de l’étoile dans l’espace s’était légèrement modifiée. L’effet était “1 000 fois plus petit que ce qu’Eddington a mesuré”, explique Sahu, et était proche des limites des capacités de Hubble. Quelque chose de caché avait amplifié et déformé la lumière de l’étoile. Le meilleur candidat ? Un trou noir invisible de masse stellaire, 7,1 fois la masse de notre soleil.
“Il n’y avait pas d’autre possibilité qu’un trou noir”, dit Sahu. Deux choses étaient nécessaires pour confirmer que c’était le cas. “Le premier critère était qu’il ne devait pas y avoir de lumière provenant de l’objectif”, explique Sahu, pour exclure des objets plus prosaïques tels qu’une étoile défaillante connue sous le nom de naine brune. La seconde était que l’effet de grossissement devait avoir une longue durée, étant donné la taille expansive de la sphère d’influence gravitationnelle d’un trou noir. D’une durée d’environ 300 jours, l’événement de juin 2011 faisait l’affaire. “C’est une analyse assez approfondie et minutieuse”, déclare El-Badry. “Ils ont fait preuve de diligence raisonnable.”
La quantité de lentilles et de déviation de la lumière de l’étoile a ensuite permis à Sahu et à ses collaborateurs de fixer la masse du trou noir présumé à un peu plus de sept masses solaires. Cela le place “en plein milieu” de ce que nous attendrions des trous noirs de masse stellaire, dit Özel. L’équipe a également pu calculer sa vitesse. « Il se déplace à environ 45 kilomètres par seconde », dit Sahu. C’est relativement rapide par rapport aux étoiles proches – le genre exact de chose à laquelle on s’attendrait si le trou noir avait reçu un coup de pied d’éjection d’une étoile massive mourante. On ne sait pas quand cet événement se serait produit, mais il “peut être quelque part près de 100 millions [years ago]», dit Sahu. “Nous ne pouvons pas vraiment le dire car nous ne savons pas exactement d’où cela vient.”
Ce n’est cependant pas le premier indice d’observation de microlentilles provenant de trous noirs de masse stellaire voyous; plusieurs autres candidats sont antérieurs à celui-ci. Ce qui est différent maintenant, c’est la mesure réussie de la déviation gravitationnelle de la lumière de l’étoile par l’objet lentille, plutôt que sa simple amplification, permettant de supposer de manière concluante la masse de l’objet lentille – et donc sa véritable nature. “Il y a eu des détections de trous noirs candidats auparavant, mais ils n’avaient pas ces mesures astrométriques”, explique David Bennett du Goddard Space Flight Center de la NASA, co-auteur avec Sahu et d’autres sur le document de découverte. « Cette technique est la meilleure à utiliser pour les trous noirs isolés de masse stellaire. C’est la première tentative de le faire. Tous les trous noirs qui ont été découverts auparavant l’ont été parce qu’ils sont ne pas isolé.”
La masse de ce trou noir offre une preuve supplémentaire que les modèles de formation des astrophysiciens sont corrects – que des trous noirs solitaires peuvent renaître des cendres de progéniteurs stellaires particulièrement lourds. Il est cependant possible que ces trous noirs se forment également dans des systèmes binaires avant de devenir des nomades dans le vide. Pour cet objet particulier, il n’est pas possible de dire avec certitude quelle histoire d’origine s’est produite. Ce qui est certain, cependant, c’est que la découverte de trous noirs plus isolés permettra aux chercheurs de sonder et d’affiner ces modèles plus en détail. “Nous n’avons jamais été en mesure d’étudier les trous noirs qui sont seuls”, déclare Özel. “Donc, cette nouvelle façon de les trouver et de pouvoir déterminer leur masse est vraiment excitante. Se forment-ils différemment ? Leur distribution de masse est-elle différente ?
Les réponses à ces questions pourraient arriver très bientôt. Le télescope Gaia de l’Agence spatiale européenne cartographie actuellement les positions de milliards d’étoiles dans notre Voie lactée. En 2025, les scientifiques du projet publieront des données de lentilles issues de ses observations, qui devraient contenir des preuves de l’apparition de nombreux autres singletons de masse stellaire autour de notre galaxie. “Les données de Gaia seront de qualité similaire, voire meilleure, que celles de Hubble”, déclare Łukasz Wyrzykowski de l’Université de Varsovie, co-auteur de ce dernier article de découverte qui chasse également les trous noirs voyous avec Gaia. Les prochaines données de lentilles, estime-t-il, contiendront des dizaines de candidats supplémentaires.
L’observatoire Vera C. Rubin au Chili, qui doit commencer une enquête sur 10 ans du ciel nocturne l’année prochaine, devrait également récolter sa propre récolte de trous noirs voyous, tout comme le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, qui devrait lancement en 2027. Rubin et Roman ont des champs de vision très larges, permettant à chacun de capturer des vues panoramiques remplies d’étoiles dans lesquelles un grand nombre de trous noirs flottants doivent se cacher. “On s’attend à ce que ces données soient là”, déclare El-Badry. “L’espoir est que [Rubin and Roman] pourront mesurer ce décalage astrométrique pour de nombreux [stars].”
Pour l’instant, cette sombre découverte présage un avenir radieux pour la recherche. Les trous noirs de masse stellaire voyous, prédits depuis longtemps mais seulement maintenant confirmés par des observations, pourraient bien être suffisamment courants dans notre galaxie pour soutenir les études démographiques de leur population. Déterminer leur véritable abondance, masses et autres propriétés pourrait étayer nos théories encore incomplètes de l’évolution stellaire ou révéler de nouvelles lacunes importantes dans notre compréhension. “Nous attendons cette découverte depuis de très nombreuses années”, déclare Wyrzykowski. « Cela montre que cette méthode fonctionne. La microlentille gravitationnelle est le moyen de trouver ces trous noirs isolés.
