Demandez à Ethan: combien y a-t-il de trous noirs dans l'univers?

Bien que nous ayons enregistré directement trois fusions de trous noirs, nous sommes conscients de l'existence d'un nombre beaucoup plus important d'entre eux. Et c'est là qu'ils devraient être

Pour la troisième fois dans l'histoire des observations, nous avons directement enregistré le trait caractéristique incontestable des trous noirs: les ondes gravitationnelles générées par leur fusion. Si nous combinons cela avec notre connaissance des orbites des étoiles se déplaçant autour du centre de la galaxie, les observations d'autres galaxies dans les gammes de rayons X et radio et les mesures des vitesses des gaz, nous obtiendrons des preuves concluantes de l'existence de trous noirs dans diverses situations. Mais avons-nous suffisamment d'informations obtenues de ces sources et d'autres pour connaître le nombre et la distribution réels des trous noirs dans l'Univers? Ce sujet est dédié à la question du lecteur d'aujourd'hui:

Le dernier événement enregistré au LIGO m'a fait penser à combien de trous noirs le ciel ressemblerait s'ils pouvaient les voir (et pour plus de clarté, si seulement les trous noirs pouvaient voir), quelle est la distribution spatiale et énergétique des trous noirs sur par rapport à la distribution des étoiles visibles?

Votre première impulsion pourrait être le désir d'aller à des observations directes - et c'est un excellent début pour l'enquête.


Carte de l'observatoire de rayons X de l'espace Chandra Deep Field South (CDF-S)

L' observatoire de rayons X de Chandra est toujours notre meilleur télescope à rayons X. De son emplacement sur l'orbite de la Terre, il peut capter même des photons individuels provenant de sources de rayons X éloignées. En prenant des images de zones suffisamment vastes du ciel, elle a pu identifier des centaines de sources ponctuelles de rayonnement X, chacune correspondant à une galaxie éloignée située à l'extérieur de la nôtre. Sur la base du spectre d'énergie des photons obtenus, nous pouvons observer des preuves de la présence d'un trou noir supermassif au centre de chaque galaxie.

Cela en soi est surprenant, mais il y a beaucoup plus de trous noirs qu'un seul BH géant pour chaque galaxie. Bien sûr, chacune des galaxies a au moins une BH en masse dépassant le Soleil de millions, voire de milliards de fois, mais il y en a beaucoup d'autres en plus.


Des masses de systèmes BH bien connus, y compris trois fusions confirmées et un candidat à la fusion reçues de LIGO

LIGO a récemment annoncé sa troisième fixation directe d'un signal clair d'ondes gravitationnelles provenant de la fusion de doubles BH, ce qui indique la prévalence de tels systèmes dans tout l'Univers. Pour une évaluation numérique, nous n'avons pas assez de statistiques, les erreurs sont trop importantes. Mais si nous regardons la gamme actuelle de LIGO et le fait qu'il trouve en moyenne un signal tous les deux mois, nous pouvons dire avec confiance qu'il existe au moins des dizaines de tels systèmes dans chaque galaxie de la taille de la Voie lactée.


Gamme de LIGO avancé et ses capacités de détection BH

De plus, nos données radiographiques indiquent l'existence d'un grand nombre de doubles BH. Il y en a peut-être beaucoup plus que ces énormes trous noirs que LIGO reconnaît mieux. Et cela ne compte même pas les données indiquant l'existence de BH qui ne sont pas dans des systèmes binaires très proches les uns des autres, qui, très probablement, sont majoritaires. Si dans notre galaxie il y a des dizaines de systèmes binaires de BH de masse moyenne (10-100 solaire), alors il y a des centaines de petits systèmes de masse (3-15 solaires) en elle, et au moins des milliers de BH isolés (n'appartenant pas aux systèmes binaires) de masse comparable au soleil.

J'insiste - «au moins».



La BH est extrêmement difficile à détecter. Nous pouvons voir les localisations les plus actives, les plus massives et les plus extrêmes. Les BH tombant en spirale et fusionnant entre eux sont bien, mais le nombre attendu de telles configurations est plutôt faible. Chandra ne distingue que les plus massifs et les plus actifs, mais la plupart des BH n'ont pas des masses qui sont des millions ou des milliards de fois plus élevées que celle du solaire, et la plupart de ces BH géants ne sont actuellement pas actifs. Ces BH que nous pouvons voir ne devraient représenter qu'une infime fraction de ce qui se trouve réellement dans l'espace, peu importe la façon dont nous observons les processus spectaculaires.


Ce que nous percevons comme une explosion de rayonnement gamma aurait pu naître lors de la fusion d'étoiles à neutrons qui éjectent de la matière dans l'Univers, créent les éléments connus les plus lourds et, à la fin, génèrent des BH

Mais nous avons un moyen d'obtenir une bonne estimation du nombre et de la distribution des BH: nous savons comment ils se forment. Nous savons comment les fabriquer à partir d'étoiles jeunes et massives devenant des supernovae, à partir d'étoiles à neutrons qui se développent en raison de l' accrétion ou de la fusion, et de collisions directes. Bien que les signaux optiques pour créer des BH soient ambigus, nous avons vu suffisamment d'étoiles, de morts stellaires, de cataclysmes et des processus de leur formation dans toute l'histoire de l'Univers pour calculer exactement la quantité dont nous avons besoin.


Les restes de supernova résultant d'une étoile massive laissent derrière eux un objet effondré: soit un trou noir soit une étoile à neutrons, et cette dernière peut également devenir un trou noir à l'avenir dans des conditions appropriées

Ces trois méthodes d'obtention de BH sont, si nous remontons leur évolution au début, à de grandes zones de formation d'étoiles. Pour obtenir:

1. supernova, vous aurez besoin d'une étoile 8-10 fois plus massive que le Soleil. La BH sera 20 à 40 fois plus massive à partir des étoiles, les étoiles à neutrons seront obtenues à partir d'étoiles plus petites.
2. fusion d'étoiles à neutrons ou accrétion à BH, vous avez besoin de deux étoiles à neutrons approchant en spirale ou en collision aléatoire, ou d'une étoile à neutrons suçant la masse d'une étoile compagnon et dépassant une limite de 2,5-3 masses solaires nécessaires pour devenir BH.
3. l'effondrement direct de BH, vous devez collecter suffisamment de matière en un seul endroit pour obtenir une étoile ~ 25 fois la masse du Soleil, et des conditions appropriées pour la formation de BH (sans l'apparition d'une supernova).

Les photographies visibles et proche infrarouge de Hubble montrent une étoile massive, environ 25 fois la taille du Soleil, qui a disparu du ciel sans supernova ou autre explication. L'effondrement direct est la seule explication raisonnable.

Nous pouvons mesurer les étoiles situées non loin de nous et estimer la quantité d'étoiles émergentes qui s'avère être une masse appropriée afin de se transformer plus tard en trou noir. En conséquence, nous obtenons que seulement 0,1 à 0,2% de toutes les étoiles proches de nous ont une masse suffisante pour au moins se transformer en supernova, et la plupart d'entre elles se transforment en étoiles à neutrons. Environ la moitié des systèmes émergents sont obtenus en double, et dans la plupart de ces systèmes, nous avons découvert que la masse des étoiles est comparable. En d'autres termes, la plupart des 400 milliards d'étoiles qui se sont formées dans notre galaxie ne deviendront jamais des trous noirs.


Classification spectrale moderne des étoiles Morgan-Kinan et intervalle de température de chacune des classes (en kelvins). La plupart (75%) des étoiles modernes sont de classe M, et seulement 1 sur 800 a suffisamment de masse pour devenir une supernova

Mais ce n'est pas effrayant, car en général peu d'étoiles deviendront BH. Plus important encore, un assez grand nombre d'étoiles, très probablement, se sont déjà transformées en trous noirs dans un passé lointain. Partout où la formation des étoiles a lieu, il y a une distribution de masse: il y a plusieurs étoiles de grande masse, beaucoup plus d'étoiles de masse moyenne et un très grand nombre d'étoiles de petite masse. Il y en a tellement que la classe M (naine rouge), dont la masse est de 8 à 40% de la masse du Soleil, appartient à 3 étoiles sur 4 situées près de nous. Dans de nombreux nouveaux amas d'étoiles, il y a très peu d'étoiles de grande masse: celles qui se transforment en supernovae. Mais dans le passé dans la Galaxie, il y avait des régions de formation d'étoiles, qui étaient beaucoup plus grandes et possédaient une masse beaucoup plus grande que celle que nous voyons aujourd'hui dans la Voie lactée.


Les plus grandes pépinières d'étoiles du groupe local, la nébuleuse de la tarentule , possèdent les plus grandes étoiles connues de l'humanité. Des centaines d'entre eux un jour (au cours des prochains millions d'années) deviendront des trous noirs.

La photo ci-dessus montre la plus grande région de formation d'étoiles dans un groupe local pesant environ 400 000 solaires. Il y a des milliers d'étoiles chaudes et très bleues dans cette région, dont des centaines sont susceptibles de se transformer en supernovae. Quelque part, 10 à 30% d'entre eux deviendront des trous noirs et les autres deviendront des étoiles à neutrons. Étant donné que:

• dans notre galaxie dans le passé, il y avait beaucoup de tels sites,
• les plus grandes zones de formation d'étoiles concentrées autour des bras en spirale et vers le centre de la galaxie,
• et qu'aujourd'hui nous observons des pulsars (restes d'étoiles à neutrons) et des sources de rayonnement gamma, probablement des trous noirs,

alors nous pouvons construire une carte de l'emplacement du trou noir.



Le satellite Fermi de la NASA a construit la carte d'énergie la plus élevée de l'univers avec la plus haute résolution jamais créée. La carte BH de la galaxie est susceptible de montrer une dispersion légèrement plus grande d'objets et de se transformer en millions de sources ponctuelles individuelles

Il s'agit d'une carte de Fermi du plein ciel, collectant toutes les sources de rayonnement gamma. Il ressemble à une carte stellaire de notre galaxie, sauf que le disque galactique y est plus marqué. De plus, les sources plus anciennes cessent d'émettre des rayons gamma, ces sources de rayonnement sont donc apparues relativement récemment.

Par rapport à cette carte, la carte BH:

• Plus concentré vers le centre de la galaxie;
• Légèrement plus diffus en largeur;
• Contiennent un renflement galactique;
• Composé d'environ 100 millions d'objets, plus ou moins une commande.

Si vous combinez la carte de Fermi (ci-dessus) et la carte infrarouge de la galaxie du COBE (ci-dessous), vous obtiendrez une distribution quantitative des BH dans notre galaxie.


Galaxie en lumière infrarouge, photo du satellite COBE. Bien que seules les étoiles y soient visibles, le BH aura une distribution similaire, bien que plus compressée vers le plan de la Galaxie et plus tendue vers le renflement

Les trous noirs sont des objets réels et répandus, et la plupart d'entre eux sont silencieux, donc aujourd'hui ils sont difficiles à détecter. L'Univers existe depuis très longtemps, et bien qu'aujourd'hui nous puissions voir un grand nombre d'étoiles, la plupart de toutes les étoiles existantes de grande masse - plus de 95% d'entre elles - sont déjà mortes. Où sont-ils allés? Environ un quart d'entre eux sont devenus des BH, et plusieurs millions d'entre eux existent toujours, se cachant dans notre galaxie et dans d'autres galaxies, leur pourcentage correspond à peu près au nôtre.


Un trou noir d'un milliard de masses solaires alimente un jet de rayons X au centre de la galaxie M87, mais il y a peut-être un autre milliard d'autres BH dans cette galaxie. Ils s'accumuleront principalement vers le centre.

Dans les galaxies elliptiques, les BH se rassemblent en un essaim elliptique et s'accumulent plus près du centre, tout comme les étoiles. De nombreux BH finiront par migrer vers le puits gravitationnel au centre de la galaxie en raison de la " ségrégation de masse " - donc, apparemment, les BH supermassifs sont devenus supermassifs. Mais jusqu'à présent, nous n'avons aucune preuve directe de ce scénario; si nous n'avons pas un moyen d'observer directement les BH calmes, nous ne pourrons jamais le savoir avec certitude. Mais d'après ce que nous savons, c'est la meilleure image de tout ce que nous pouvons dessiner. Il est cohérent, convaincant et toutes les preuves indirectes le montrent.


L'absorption de la lumière des ondes millimétriques émise par les électrons fouinant dans les champs magnétiques puissants créés par les BH supermassifs dans les galaxies conduit à l'apparition d'une tache sombre au centre de cette galaxie. Une ombre indique que des nuages ​​froids de gaz moléculaire tombent sur le trou noir

En l'absence de possibilité d'observations directes, c'est tout ce sur quoi la science peut compter, et cela nous amène à une conclusion intéressante: pour chaque millier d'étoiles que nous voyons aujourd'hui, il y a environ un BH en moyenne, situé, très probablement, dans une partie plus dense de l'espace. Bonne précision pour répondre à la question de ce qui est presque totalement invisible!

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].

FAQ: si l'Univers se développe, pourquoi ne nous développons-nous pas ? pourquoi l'âge de l'Univers ne coïncide pas avec le rayon de sa partie observée .