6 Juillet 2009

Découverte d'un trou noir de masse intermédiaire

Un trou noir de plus de 500 fois la masse du Soleil, intermédiaire entre les trous noirs stellaires et les trous noirs supermassifs.
C’est ce « chaînon manquant » que vient d’observer une équipe internationale menée par des chercheurs du Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements de Toulouse. Cette première a été réalisée grâce à des observations provenant du satellite XMM-Newton de l’ESA. Ce résultat est publié dans Nature le 2 juillet 2009.
Trou noir stellaire - crédit : Wikipédia
Trou noir stellaire - crédit : Wikipédia

En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu'il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s'échapper. La matière happée par un trou noir est chauffée à des températures considérables avant d'être engloutie et émet de ce fait une quantité importante de rayons X qui rendent possible sa détection. Les astrophysiciens ont mis en évidence l'existence de deux populations de trous noirs :

  • Les trous noirs de masse stellaire, de trois à vingt masses solaires se forment à la suite de l'effondrement gravitationnel des étoiles massives (environ dix masses solaires et plus). >En effet, lorsque la combustion par les réactions thermonucléaires dans le cœur de l’étoile massive se termine, faute de carburant, une supernova se produit. Cette dernière peut laisser derrière elle un cœur qui continue à s’effondrer rapidement.
  • Les trous noirs supermassifs, de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires se trouvent au centre des galaxies. Leur formation est encore fortement débattue. L'une des hypothèses est que les trous noirs supermassifs se forment par l'accrétion de trous noirs de masse intermédiaire. Pour valider cette théorie, il est essentiel de prouver l'existence de tels trous noirs, d'une centaine à quelques centaines de milliers de masses solaires.

Une équipe internationale menée par des chercheurs du Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements (INSU-CNRS, Université Paul Sabatier) a analysé des données provenant du satellite, XMM-Newton, un satellite de l'ESA qui observe dans le domaine du rayonnement X . Ils ont détecté une nouvelle source dont l’émission en rayons X semble être celle d'un trou noir. Cette source appelée HLX-1 pour Hyper-Luminous X-ray source se situe dans la périphérie de la galaxie ESO 243-49, à 290 millions d'années-lumière de nous, ou 2740 milliards de kilomètres (à z=0.02). Sa luminosité en rayons X est exceptionnelle : à peu près 260 millions de fois la luminosité totale du Soleil et sa position excentrée exclue qu’elle soit associée au noyau central de cette galaxie.

Vue d'artiste de la galaxie HLX-1 - crédit : ESA
Vue d'artiste de la galaxie HLX-1 - crédit : ESA

Grâce à deux observations effectuées le 23 novembre 2004 et le 28 novembre 2008 avec XMM-Newton, l'équipe a montré qu’HLX-1 était variable, ce qui permet d’exclure qu’elle soit la superposition de multiples sources X. La luminosité extrême, ainsi que les propriétés de l’émission X observée s'expliquent alors uniquement par la présence d’un trou noir d’une masse supérieure à 500 masses solaires. Ceci fait d’HLX-1 le candidat le plus solide, détecté à ce jour, appartenant à la classe si longtemps recherchée des trous noirs de masse intermédiaire.

Les trous noirs supermassifs sont omniprésents au centre des galaxies ; notre galaxie, la Voie Lactée, n’échappe pas à la règle. Pourtant leur mécanisme de formation est encore une question ouverte. La découverte d’HLX-1 constitue donc une étape essentielle qui permettra de mieux comprendre si, et comment, les trous noirs de masse intermédiaire jouent un rôle dans la formation des trous noirs supermassifs.

La mission XMM-Newton

XMM-Newton - crédit : ESA
XMM-Newton - crédit : ESA

L'observatoire XMM-Newton (XMM pour X-Rays multi Mirror Mission) est un télescope de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) lancé le 10 décembre 1999 par une fusée Ariane 5. Il est destiné à étudier le rayonnement X des objets célestes. Ces observations s'appliquent à des thèmes astrophysiques aussi variés que l'étude des étoiles jeunes au coeur des nuages denses, la physique des trous noirs et des étoiles à neutrons, la production et la circulation des éléments lourds dans l'Univers, la quantité et la distribution de matière noire dans l'Univers, la formation et l'évolution des grandes structures ou encore la nature du fond diffus X.XMM-Newton a notamment mis en évidence, au centre de la Voie Lactée, un trou noir de plusieurs milliers de fois la masse du Soleil.

Les instruments d'XMM-Newton

  • European Photon Imaging Camera (EPIC) : trois télescopes sont équipés d'une caméra EPIC, réalisée par un consortium de 10 laboratoires européens (italiens, français, allemands et britanniques) avec une importante participation française (Service d'astrophysique au CEA/Saclay, l'Institut d'astrophysique spatiale d'Orsay et le Centre d'étude spatiale des rayonnements de Toulouse).
  • Reflection Grating Spectrometer (RGS) : deux télescopes sont équipés d'un spectromètre réalisé par un consortium néerlandais, anglais, américain et suisse. Cet instrument analyse le spectre X détecté par le télescope et d'identifie ainsi les éléments présents, ainsi que leur forme chimique.
  • Optical UV/Monitor (OM) : un moniteur optique est réalisé par un consortium anglais, belge et américain. L'OM est primordial pour l'étude des corrélations entre les propriétés X et optiques des sources détectées par EPIC, leur classification et leur identification. Il améliore également le suivi de la direction de pointage, très utile pour l'analyse des données X.

Références de l'article

An Intermediate Mass Black Hole of ? 500 Solar Masses in the Galaxy ESO 243-49. Sean A. Farrell1, Natalie A. Webb1, Didier Barret1, Olivier Godet2 & Joana M. Rodrigues1. Nature 02/07/2009.

1 Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements CESR, (INSU-CNRS, Université Paul Sabatier ), Toulouse

2 Department of Physics and Astronomy, University of Leicester, Angleterre

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