Une équipe d'astrophysiciens dirigée par l'Université Columbia a découvert une douzaine de trous noirs rassemblés autour du Sagittaire A* (Sgr A*), le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. La découverte est la première à soutenir une prédiction vieille de plusieurs décennies, ouvrant une myriade d'opportunités pour mieux comprendre l'univers.

"Tout ce que vous voudriez savoir sur la façon dont les grands trous noirs interagissent avec les petits trous noirs, vous pouvez apprendre en étudiant cette distribution, " a déclaré l'astrophysicien de Columbia Chuck Hailey, co-directeur du Columbia Astrophysics Lab et auteur principal de l'étude. "La Voie lactée est vraiment la seule galaxie que nous ayons où nous pouvons étudier comment les trous noirs supermassifs interagissent avec les plus petits parce que nous ne pouvons tout simplement pas voir leurs interactions dans d'autres galaxies. Dans un sens, c'est le seul laboratoire dont nous disposons pour étudier ce phénomène."

L'étude paraît dans le numéro du 5 avril de La nature .

Depuis plus de deux décennies, les chercheurs ont cherché en vain des preuves pour étayer une théorie selon laquelle des milliers de trous noirs entourent les trous noirs supermassifs (SMBH) au centre des grandes galaxies.

"Il n'y a qu'environ cinq douzaines de trous noirs connus dans toute la galaxie—100, 000 années-lumière de large - et il y en aurait 10, 000 à 20, 000 de ces choses dans une région de seulement six années-lumière de large que personne n'a pu trouver, " Hailey a dit, ajoutant que des recherches approfondies infructueuses ont été faites pour des trous noirs autour de Sgr A*, le SMBH le plus proche de la Terre et donc le plus facile à étudier. "Il n'y a pas eu beaucoup de preuves crédibles."

Il a expliqué que Sgr A* est entouré d'un halo de gaz et de poussière qui constitue le terreau idéal pour la naissance d'étoiles massives, qui vivent, mourir et pourrait se transformer en trous noirs là-bas. En outre, on pense que les trous noirs de l'extérieur du halo tombent sous l'influence du SMBH car ils perdent leur énergie, les amenant à être tirés à proximité du SMBH, où ils sont retenus captifs par sa force.

Alors que la plupart des trous noirs piégés restent isolés, certains capturent et se lient à une étoile qui passe, formant un binaire stellaire. Les chercheurs pensent qu'il y a une forte concentration de ces trous noirs isolés et accouplés dans le Centre Galactique, formant une pointe de densité qui devient de plus en plus encombrée à mesure que la distance par rapport au SMBH diminue.

Autrefois, les tentatives infructueuses pour trouver des preuves d'une telle cuspide se sont concentrées sur la recherche de l'éclat lumineux de la lueur des rayons X qui se produit parfois dans les binaires des trous noirs

"C'est une façon évidente de vouloir chercher des trous noirs, " Hailey a dit, "mais le Centre Galactique est si loin de la Terre que ces sursauts ne sont assez forts et brillants pour voir qu'environ une fois tous les 100 à 1, 000 ans." Pour détecter les binaires de trous noirs alors, Hailey et ses collègues ont réalisé qu'ils auraient besoin de chercher le plus faible, mais des rayons X plus stables émis lorsque les binaires sont dans un état inactif.

"Ce serait si facile si les binaires des trous noirs émettaient régulièrement de gros sursauts comme le font les binaires des étoiles à neutrons, mais ils ne le font pas, nous avons donc dû trouver une autre façon de les rechercher, " dit Hailey. " Isolé, les trous noirs non accouplés sont juste noirs, ils ne font rien. Donc, rechercher des trous noirs isolés n'est pas non plus un moyen intelligent de les trouver. Mais quand les trous noirs s'accouplent avec une étoile de faible masse, le mariage émet des sursauts de rayons X plus faibles, mais cohérente et détectable. Si nous pouvions trouver des trous noirs couplés à des étoiles de faible masse et que nous sachions quelle fraction des trous noirs s'accouplera avec des étoiles de faible masse, nous pourrions déduire scientifiquement la population de trous noirs isolés là-bas."

Hailey et ses collègues se sont tournés vers les données d'archives du Chandra X-ray Observatory pour tester leur technique. Ils ont recherché des signatures aux rayons X de binaires de faible masse de trou noir dans leur état inactif et ont pu en trouver 12 en trois années-lumière, du Sgr A*. Les chercheurs ont ensuite analysé les propriétés et la distribution spatiale des systèmes binaires identifiés et ont extrapolé à partir de leurs observations qu'il doit y avoir entre 300 et 500 binaires de faible masse de trous noirs et environ 10, 000 trous noirs isolés dans les environs de Sgr A*.

"Cette découverte confirme une théorie majeure et les implications sont nombreuses, " a déclaré Hailey. " Cela va faire avancer considérablement la recherche sur les ondes gravitationnelles, car connaître le nombre de trous noirs au centre d'une galaxie typique peut aider à mieux prédire combien d'événements d'ondes gravitationnelles peuvent leur être associés. Toutes les informations dont les astrophysiciens ont besoin se trouvent au centre de la galaxie."

Les co-auteurs de Hailey sur le papier incluent :Kaya Mori, Michael E. Berkowitz, et Benjamin J. Hord, tous de l'Université de Columbia; Franz E. Bauer, de l'Instituto de Astrofísica, Facultad de Física, Pontificia, Université catholique du Chili, Institut du millénaire d'astrophysique, Vicuña Mackenna, et l'Institut des sciences spatiales; et Jaesub Hong, du Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian.