Environ 15, à 000 années-lumière, dans un lointain bras spiral de la Voie Lactée, il y a un trou noir environ 70 fois plus lourd que le Soleil.

C'est très surprenant pour des astronomes comme moi. Le trou noir semble trop gros pour être le produit de l'effondrement d'une seule étoile, ce qui pose des questions à nos théories sur la formation des trous noirs.

Notre équipe, dirigé par le professeur Jifeng Liu aux observatoires astronomiques nationaux, Académie chinoise des sciences, a surnommé l'objet mystérieux LB-1.

Qu'est-ce qui est normal pour un trou noir ?

Les astronomes estiment que notre galaxie à elle seule contient environ 100 millions de trous noirs, créé lorsque des étoiles massives se sont effondrées au cours des 13 derniers milliards d'années.

La plupart d'entre eux sont inactifs et invisibles. Un nombre relativement faible aspire le gaz d'une étoile compagnon en orbite autour d'eux. Ce gaz libère de l'énergie sous forme de rayonnement que nous pouvons voir avec des télescopes (principalement des rayons X), souvent accompagnée de vents et de jets.

Jusqu'à il y a quelques années, le seul moyen de repérer un trou noir potentiel était de rechercher ces rayons X, provenant d'une source lumineuse ponctuelle.

Environ deux douzaines de trous noirs dans notre galaxie ont été identifiés et mesurés avec cette méthode. Ils sont de tailles différentes, mais tous entre environ cinq et 20 fois plus lourd que le Soleil.

Nous avons généralement supposé qu'il s'agissait de la masse typique de toute la population de trous noirs de la Voie lactée. Cependant, cela peut être incorrect ; les trous noirs actifs peuvent ne pas être représentatifs de l'ensemble de la population.

De nouveaux outils donnent vie à une vieille idée

Pour notre recherche de trous noirs, nous avons utilisé une technique différente.

Nous avons sondé le ciel avec le télescope spectroscopique à fibre multi-objets à grande zone de ciel (LAMOST) dans le nord-est de la Chine, à la recherche d'étoiles brillantes qui se déplacent autour d'un objet invisible. Cela permet de détecter l'effet gravitationnel du trou noir, indépendamment du fait qu'un gaz se déplace de l'étoile à son compagnon sombre.

Cette technique a été proposée par l'astronome britannique John Michell en 1783, quand il a suggéré pour la première fois l'existence de l'obscurité, étoiles compactes en orbite dans un système binaire avec une étoile normale.

Cependant, cela n'est devenu pratiquement réalisable qu'avec le développement récent des grands télescopes qui permettent aux astronomes de surveiller le mouvement de milliers d'étoiles à la fois.

Comment nous avons repéré LB-1

LB-1 est le premier résultat majeur de notre recherche avec LAMOST. Nous avons vu une étoile huit fois plus grosse que le Soleil, en orbite autour d'un compagnon sombre environ 70 fois plus lourd que le Soleil. Chaque orbite a pris 79 jours, et la paire est environ une fois et demie plus éloignée l'une de l'autre que la Terre et le Soleil.

Nous avons mesuré le mouvement de l'étoile par de légers changements dans la fréquence de la lumière que nous avons détectée en provenance d'elle, causé par un décalage Doppler alors que l'étoile se dirigeait vers la Terre et s'en éloignait à différents moments de son orbite.

Nous avons également fait de même pour une faible lueur provenant de l'hydrogène gazeux autour du trou noir lui-même.

D'où vient-il?

Comment s'est formé LB-1 ? Il est peu probable qu'il provienne de l'effondrement d'une seule étoile massive :nous pensons que toute grande étoile perdrait plus de masse à cause des vents stellaires avant de s'effondrer dans un trou noir.

Une possibilité est que deux trous noirs plus petits se soient formés indépendamment de deux étoiles puis se soient fusionnés (ou qu'ils soient toujours en orbite l'un autour de l'autre).

Un autre scénario plus plausible est qu'un trou noir stellaire "ordinaire" a été englouti par une étoile compagnon massive. Le trou noir avalerait alors la majeure partie de l'étoile hôte comme une larve de guêpe à l'intérieur d'une chenille.

La découverte de LB-1 correspond bien aux résultats récents des détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO-Virgo, qui captent les ondulations dans l'espace-temps causées par la collision de trous noirs stellaires dans des galaxies lointaines.

Les trous noirs impliqués dans de telles collisions sont également significativement plus lourds (jusqu'à environ 50 masses solaires) que l'échantillon de trous noirs actifs de la Voie lactée. Notre observation directe de LB-1 prouve que ces trous noirs stellaires en surpoids existent également dans notre galaxie.

La famille des trous noirs

Les astronomes tentent toujours de quantifier la distribution des trous noirs sur toute leur gamme de tailles.

Trous noirs pesant entre 1, 000 et 100, 000 Soleils (appelés trous noirs de masse intermédiaire) peuvent résider au cœur de petites galaxies ou dans de grands amas d'étoiles. Le détecteur d'ondes gravitationnelles LISA (Laser Interferometer Space Antenna) basé dans l'espace (dont le lancement est prévu en 2034) tentera de détecter leurs collisions.

Les trous noirs pesant un million à quelques milliards de masses solaires sont déjà bien connus, dans les noyaux des grandes galaxies et des quasars, mais leur origine est activement débattue. Nous sommes encore loin d'une compréhension complète de la formation des trous noirs, grandir, et affectent leur environnement, mais nous progressons rapidement.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.