La Voie lactée cache des dizaines de milliers de trous noirs

Les trous noirs eux-mêmes ne sont pas visibles, mais les rayons X et les émissions radioélectriques de la matière à côté d'eux peuvent nous donner une idée de leur emplacement et de leurs propriétés physiques.

Au centre de presque toutes les galaxies se trouve un trou noir supermassif, à l'emplacement duquel la matière a collecté des millions ou même des milliards de soleil. Cependant, autour d'elle, il devrait y avoir non seulement beaucoup d'étoiles se déplaçant rapidement, mais également des dizaines de milliers de petits trous noirs formés à partir des restes d'étoiles massives, qui auraient dû être près du centre galactique. En observant l'espace autour du Sagittaire A * , notre monstre au centre de la Voie lactée pesant quatre millions de solaires, nous avons trouvé des étoiles, de la poussière, du gaz, des radiations électromagnétiques, et tout ce qui était attendu, à une exception près: aucune preuve de la présence de ces petits trous noirs. Il était prévu que dans la région d'un diamètre de seulement six années-lumière et d'un centre du Sagittaire A *, il y en aurait plus de dix mille, mais ils n'y ont pas été trouvés. Autrement dit, jusqu'à ce que nous trouvions une nouvelle méthode ingénieuse, grâce à laquelle nous en avons trouvé une douzaine l'année dernière seulement. Il s'ensuit que ces trous noirs sont bel et bien là, et maintenant nous avons une idée sur la façon de les trouver.


Image composite d'un trou noir au centre de notre galaxie à partir de rayons X et infrarouges: Sagittaire A *. Sa masse est de quatre millions de solaires et elle est entourée de gaz chaud émettant des rayons X, des étoiles et, potentiellement, plusieurs milliers de petits trous noirs.

La région de l'espace entourant un trou noir au centre de notre galaxie est remplie de matériel qui ne peut être détecté qu'en dehors du spectre visible. Bien qu'il y ait sans aucun doute une multitude de sources de lumière étoilée là-bas, la poussière qui remplit le plan de notre Voie lactée est tout à fait suffisante pour bloquer toute la lumière qui autrement aurait passé 25 000 années-lumière pour atteindre nos yeux. Mais à de grandes longueurs d'onde, dans les gammes infrarouge et radio, il y a de la lumière qui peut nous pénétrer et révéler la présence d'étoiles et de gaz au centre, et le rayonnement des rayons X à des longueurs d'onde plus courtes peut nous fournir une énorme quantité d'informations sur les sources d'énergie du rayonnement et les événements qui s'y produisent. .


L'image du centre galactique à la lumière de différentes longueurs d'onde montre les étoiles, le gaz, le rayonnement et les trous noirs, ainsi que d'autres sources. Mais la lumière qui vient de tous, des rayons gamma à la lumière visible et aux ondes radio, ne peut que dire que nous pouvons attraper nos instruments à une distance de 25 000 années-lumière ou plus.

Lorsque nous étudions l'espace entourant le Sagittaire A *, nous voyons un grand nombre d'étoiles se déplacer autour du trou noir central, ainsi que des éclairs périodiques qui surviennent lors de l'absorption de divers morceaux de matière par le trou noir. D'après ce que nous voyons, nous pouvons imaginer à quoi ressemble cette région de l'espace: elle est pleine de matière qui peut activement créer des étoiles et est riche en éléments lourds. Le gaz et la poussière qui s'y trouvent créent un environnement idéal pour la formation active d'étoiles qui, comme le disent nos meilleures théories, est exactement ce qui s'y passe. De nombreuses étoiles avec une grande variété de masses devraient s'y former, à partir desquelles un nombre assez élevé de supernovae, d'étoiles à neutrons et de trous noirs devraient être obtenus. C'est à partir de ces données que nous évaluons le fait que dans le rayon de trois années-lumière du Sagittaire A *, il devrait y avoir environ 10 000 à 20 000 trous noirs.


Une foule d'étoiles a été découverte à côté d'un trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée. En plus de ces étoiles, gaz et poussières, nous nous attendons à ce qu'il y ait au moins 10000 trous noirs situés à quelques années-lumière du Sagittaire A *, mais jusqu'à présent, il a été assez difficile de les détecter.

Mais, malgré la prédiction, nous avons du mal à observer ces trous noirs. Et il y a une raison convaincante à cela: la plupart d'entre eux sont difficiles à observer, car ils n'émettent pas de rayonnement que nous pourrions attraper. Pour détecter les trous noirs isolés qui étaient les seules étoiles de notre système, nous n'avons pas de méthode de travail. Mais pour voir des trous noirs existant dans des systèmes binaires dans lesquels un trou noir et une étoile se déplacent, il existe un moyen délicat: nous recherchons des flashs lumineux de rayons X émis par de tels systèmes. Selon l'astrophysicien Chuck Haley :

C'est une façon évidente de rechercher des trous noirs. Mais le centre galactique est si loin de la Terre que de tels éclairs sont suffisamment forts et brillants pour que nous puissions les voir, seulement une fois tous les 100-1000 ans.

Et comme nous n'avons pas encore eu de chance, nous avions besoin d'une méthode différente.


Un trou noir est connu pour absorber la matière et a un horizon d'événements dont rien ne peut s'échapper. Mais au-delà de l'horizon, il peut émettre des rayons X. Il peut se présenter à la fois sous la forme de grandes flambées et sous la forme d'un ruisseau constant et relativement calme, résultant de la lente alimentation du voisin BH

C'est à ce moment que l'équipe de Haley est venue à la rescousse. Au lieu de rechercher un système binaire avec une étoile et un trou noir dans un état actif caractérisé par des éruptions, ils ont réalisé que l'on pouvait rechercher des traces d'ondes de rayons X moins énergétiques qui auraient dû exister pendant l'inactivité de ces systèmes. Hayley poursuit:

Ce serait simple si les systèmes binaires avec un trou noir émettaient constamment des flashs puissants, comme le font les systèmes binaires avec une étoile à neutrons, mais ce n'est pas le cas, nous avons donc dû inventer une autre façon de les trouver. Lorsqu'un trou noir s'approche d'une petite étoile de masse, ce partenariat émet des flashs de rayons X, qui sont plus faibles, mais ils sont constants et peuvent être détectés.

Il faudrait beaucoup de temps pour suivre de tels effets dans le centre galactique dans la gamme des rayons X, et sans objectif clairement défini, un tel projet ne serait pas approuvé. Mais l'équipe Haley avait un atout: de telles données existaient grâce à l'Observatoire de rayons X de Chandra .


Le trou noir supermassif de notre galaxie a été témoin de flashs extrêmement brillants, mais aucun d'eux n'était aussi brillant ou aussi long que le XJ1500 + 0134. Grâce à ce genre d'événements, Chandra a collecté une énorme quantité de données pour 19 ans d'observations du centre galactique.

Chandra a observé périodiquement le centre galactique pendant presque 19 ans. Après avoir étudié l'ensemble complet des données d'archives, l'équipe a pu découvrir une chose étonnante: les signes radiographiques de la présence de douze systèmes binaires indépendants, inactifs et silencieux provenant d'un trou noir et d'une étoile. Étant donné que dans la Voie lactée, nous n'avons jusqu'à présent découvert que 60 trous noirs, il s'agit d'une augmentation sérieuse de leur nombre - mais pas seulement. Tous ces 12 systèmes BH / étoiles sont à moins de trois années-lumière du Sagittaire A *, et leur existence nous permet de faire quelque chose de plus intéressant: estimer le nombre total de trous noirs existant dans cette région. Sur la base des données collectées, il devrait y avoir quelque part entre 300 et 500 systèmes composés d'un trou noir et d'une étoile, et environ 10 000 trous noirs isolés.


Dans les centres des galaxies, il y a des étoiles, du gaz, de la poussière et (comme nous le savons maintenant) des trous noirs qui tournent autour et interagissent avec l'objet supermassif central de la galaxie.

C'est une découverte incroyable, et elle n'a été possible que dans le cadre de notre Voie lactée. Connaissant l'existence d'environ 10000 trous noirs à proximité de notre trou noir supermassif, nous pouvons évaluer ce qui se passe au centre de chaque galaxie avec un trou noir supermassif: des milliers et des milliers de trous noirs ordinaires se déplaçant autour. Dans les années 2030, l'Agence spatiale européenne lancera l'antenne spatiale améliorée en utilisant le principe d'un interféromètre laser (eLISA, anciennement LISA), un détecteur spatial d'ondes gravitationnelles à très longues épaules. Contrairement aux systèmes à corps étroitement espacés de petite masse et à petite période orbitale, auxquels le LIGO est sensible, eLISA sera en mesure de détecter pour la première fois des trous noirs avec une longue période orbitale, une longue spirale et une fusion avec des trous noirs supermassifs au centre des galaxies.


Au cours des deux dernières années, des ondes gravitationnelles provenant de la confluence d'étoiles à neutrons et de trous noirs ont été découvertes sur Terre. En créant un observatoire gravitationnel dans l'espace, nous pouvons augmenter la sensibilité à un niveau qui peut prédire les fusions avec des trous noirs supermassifs.

Il s'agit d'une étude extrêmement importante, car elle nous donne les premières preuves réelles de ce qu'eLISA recherchera, ce qui nous motive davantage à rechercher des événements qui, comme nous le savons déjà, peuvent exister. Contrairement aux trous noirs LIGO, au cours de ces processus de rapprochement, nous aurons des semaines, des mois voire des années de handicap, ce qui nous permettra de savoir clairement quand et à quel moment il faudra regarder pour voir la fusion. C'est la première confirmation de la théorie de l'existence de dizaines de milliers de trous noirs autour des trous noirs supermassifs dans les centres des galaxies, et cela nous permet de mieux prédire combien d'événements liés provoquant des ondes gravitationnelles nous pouvons enregistrer.

Toutes les informations dont nous avons besoin à ce sujet se trouvent dans les centres des galaxies, y compris la nôtre. Pour la première fois, nous pouvons être sûrs que les trous noirs ne sont pas des raretés cosmiques, ils existent en grand nombre dans chaque galaxie de l'univers.