Les astronomes ont peut-être assisté à la naissance d'un trou noir

Les astronomes tirent de plus en plus les rideaux sur les trous noirs. Au cours des dernières années, nous avons finalement capturé de vraies photos de ces créatures redoutables et mesuré les ondes gravitationnelles – ondulations dans l'espace-temps – qu'elles créent lorsqu'elles entrent en collision . Mais il y a encore beaucoup de choses que nous ne savons pas sur les trous noirs. L'une des plus grandes énigmes est exactement comment ils se forment en premier lieu.

Mes collègues et moi pensons maintenant que nous avons observé ce processus, fournissant certaines des meilleures indications à ce jour sur ce qui se passe exactement lorsqu'un trou noir se forme. Nos résultats sont publiés dans deux articles dans Nature et le Astrophysical Journal.

Les astronomes pensent, pour des raisons à la fois observationnelles et théoriques, que la plupart des trous noirs se forment lorsque le centre d'un massif l'étoile s'effondre à la fin de sa vie. Le noyau de l'étoile fournit normalement une pression, ou un soutien, en utilisant la chaleur des réactions nucléaires intenses. Mais une fois que le carburant d'une telle étoile est épuisé et que les réactions nucléaires s'arrêtent, les couches internes de l'étoile s'effondrent sous l'effet de la gravité, s'écrasant à des densités extraordinaires.

La plupart du temps, cet effondrement catastrophique est stoppé lorsque le noyau de l'étoile se condense en une sphère solide de matière, riche en particules appelées neutrons. Cela conduit à une puissante explosion de rebond qui détruit l'étoile (une supernova) et laisse derrière elle un objet exotique connu sous le nom d'étoile à neutrons. Mais les modèles d'étoiles mourantes montrent que si l'étoile d'origine est suffisamment massive (40 à 50 fois la masse du Soleil), l'effondrement se poursuivra sans relâche jusqu'à ce que l'étoile soit écrasée en une singularité gravitationnelle – un trou noir.

Théories explosives

Alors que des étoiles s'effondrant pour former des étoiles à neutrons sont maintenant régulièrement observées dans tout l'univers (les enquêtes sur les supernovas en trouvent des dizaines de nouvelles chaque nuit), les astronomes ne sont pas encore tout à fait sûrs de ce qui se passe lors de l'effondrement d'un trou noir. Certains modèles pessimistes suggèrent que l'étoile entière serait engloutie sans laisser de trace . D'autres proposent que l'effondrement d'un trou noir produirait un autre type d'explosion .

Par exemple, si l'étoile tourne au moment de l'effondrement, une partie de la matière tombante peut être concentrée en jets. qui s'échappent de l'étoile à grande vitesse. Alors que ces jets ne contiendraient pas beaucoup de masse, ils auraient un gros impact : s'ils heurtaient quelque chose, les effets pourraient être assez dramatiques en termes d'énergie libérée.

Jusqu'à présent, le meilleur candidat pour une explosion. dès la naissance d'un trou noir s'est produit l'étrange phénomène connu sous le nom de sursauts gamma de longue durée . Découverts pour la première fois dans les années 1960 par des satellites militaires, on a émis l'hypothèse que ces événements résulteraient de jets accélérés à des vitesses ahurissantes par des trous noirs nouvellement formés dans des étoiles en train de s'effondrer. Cependant, un problème de longue date avec ce scénario est que les sursauts de rayons gamma expulsent également d'abondants débris radioactifs qui continuent de briller pendant des mois. Cela suggère que la majeure partie de l'étoile a explosé vers l'extérieur dans l'espace (comme dans une supernova ordinaire), au lieu de s'effondrer vers l'intérieur dans un trou noir.

Bien que cela ne signifie pas qu'un trou noir ne peut pas avoir été formé dans une telle explosion, certains ont conclu que d'autres modèles fournissent une explication plus naturelle des sursauts gamma que la formation d'un trou noir. Par exemple, une étoile à neutrons super-magnétisée pourrait se former dans une telle explosion et produire ses propres jets puissants.

Mystère résolu ?

Mes collègues et moi avons cependant récemment découvert un nouveau (à notre avis) un bien meilleur événement candidat pour la création d'un trou noir. À deux reprises au cours des trois dernières années – une fois en 2019 et une fois en 2021 – nous avons assisté à un type d'explosion exceptionnellement rapide et fugace qui, tout comme dans les sursauts gamma, provenait d'une petite quantité de matériau se déplaçant très rapidement. en gaz dans son environnement immédiat.

En utilisant la spectroscopie – une technique qui décompose la lumière en différentes longueurs d'onde – nous avons pu déduire la composition de l'étoile qui a explosé pour chacun de ces événements. Nous avons découvert que le spectre était très similaire à ce que l'on appelle les "étoiles Wolf-Rayet" – un type d'étoile très massive et très évolué, du nom des deux astronomes, Charles Wolf et Georges Rayet, qui les a détectés. De manière excitante, nous avons même pu exclure une explosion de supernova «normale». Dès que la collision entre le matériau rapide et son environnement a cessé, la source a pratiquement disparu – plutôt que de briller pendant longtemps. une petite quantité de matériau avec le reste de l'objet s'effondrant vers le bas dans un énorme trou noir.

Bien que ce soit notre interprétation préférée, ce n'est pas la seule possibilité. Le plus prosaïque est qu'il s'agissait d'une explosion de supernova normale, mais qu'une vaste coquille de poussière s'est formée lors de la collision, cachant les débris radioactifs à la vue. Il est également possible que l'explosion soit d'un type nouveau et inconnu, provenant d'une étoile que nous ne connaissons pas.

Pour répondre à ces questions, nous devrons rechercher d'autres objets de ce type. Jusqu'à présent, ces types d'explosions étaient difficiles à étudier car elles sont éphémères et difficiles à trouver. Nous avons dû utiliser plusieurs observatoires en succession rapide pour caractériser ces explosions : le Zwicky Transient Facility pour les découvrir, le Liverpool Telescope et le Nordic Optical Telescope pour confirmer leur nature, et de grands observatoires à haute résolution (le Hubble Space TelescopeGemini Observatory et Very Large Telescope) pour analyser leur composition.

Alors que nous ne l'avons pas fait. savons initialement exactement ce que nous voyions lorsque nous avons découvert ces événements pour la première fois, nous avons maintenant une hypothèse claire : la naissance d'un trou noir.

Plus de données sur des événements similaires pourraient bientôt nous aider à vérifier ou à falsifier cette hypothèse et à établir le lien avec d'autres types d'explosions inhabituelles et rapides que notre équipe et d'autres ont trouvé. Quoi qu'il en soit, il semble que ce soit vraiment la décennie où nous percevons les mystères des trous noirs. John Moores University

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l'article d'origine.