Une nouvelle étude dans Physical Review Letters explore les conditions de formation des trous noirs à partir d'étoiles mourantes, en particulier le rôle des coups de pied natals induits par les neutrinos dans le processus de formation.
Les trous noirs font partie des objets les plus mystérieux de l’univers, avec des forces gravitationnelles si fortes que même la lumière ne peut y échapper. À l'heure actuelle, d'après les preuves dont nous disposons, les trous noirs sont des cadavres d'étoiles, ce qui signifie qu'ils naissent lorsque les étoiles meurent.
Cependant, les mécanismes exacts de leur formation restent encore un mystère. La nouvelle étude aborde certains de ces mystères en étudiant des processus tels que l'éjection de masse stellaire et l'émission de neutrinos, qui jouent un rôle crucial dans la formation des trous noirs.
Phys.org s'est entretenu avec le premier auteur, le Dr Alejandro Vigna-Gómez, chercheur postdoctoral à l'Institut Max Planck d'astrophysique en Allemagne.
Interrogé sur sa motivation à étudier la formation des trous noirs, il a répondu :"Au cours de la dernière décennie, mon travail a tourné autour de l'intersection de la physique des étoiles binaires et des supernovas."
"Mon intérêt s'est accru à la suite des récentes percées dans l'astronomie des trous noirs. Ces dernières années, j'ai réalisé que les trous noirs lourds pouvaient offrir des informations significatives sur les processus d'effondrement stellaire qui aboutissent à leur création."
Lorsqu’une étoile plus grosse que notre soleil atteint la fin de sa vie, elle provoque une explosion extrêmement brillante et violente appelée explosion de supernova. Ces explosions sont si brillantes qu'elles peuvent brièvement éclipser la luminosité d'une galaxie entière et libérer un grand nombre de neutrinos pour laisser derrière elles une étoile à neutrons.
La masse stellaire éjectée lors de l'explosion a une vitesse de plusieurs milliers de kilomètres par seconde mais n'est pas toujours également répartie. Cette asymétrie conduit à des asymétries à grande échelle dans les restes de l'explosion, qui ont été observées pour les étoiles à neutrons.
Cette masse éjectée asymétrique provoque un recul sur l'étoile à neutrons appelé coup de pied natal, qui la fait se déplacer à grande vitesse dans toute la galaxie. Des coups de pied natals ont déjà été observés pour les étoiles à neutrons, mais pas pour les trous noirs.
Les trous noirs se forment lorsqu’au lieu d’une explosion, une étoile mourante s’effondre sur elle-même. Nous arrivons donc à la question posée par les chercheurs :les coups de pied natals pourraient-ils également jouer un rôle dans la formation des trous noirs ?
"Ces dernières années, plusieurs trous noirs binaires ont été découverts dans notre galaxie et ses environs. Ils sont généralement détectés par émission de rayons X, mais seuls quelques-uns ont été détectés par spectroscopie simple ligne [une méthode différente] comme X- des binaires silencieux", a déclaré le Dr Vigna-Gómez.
Ces systèmes binaires n'émettent pas de quantités significatives de rayons X, ce qui peut indiquer les étapes d'évolution des étoiles dans le système binaire.
Les chercheurs ont choisi la galaxie VFTS 243 pour leur étude car elle abrite l'un des trous noirs les plus massifs parmi ces binaires.
Le système binaire est constitué d’un trou noir et d’une étoile massive. Les chercheurs voulaient étudier les conditions dans lesquelles le trou noir s'est formé, comme la perte de masse stellaire et les coups de pied natals associés à sa formation.
Les chercheurs s’appuient sur des observations récentes d’étoiles en voie de disparition, c’est-à-dire des étoiles qui sont mortes et sont devenues des trous noirs sans explosion. De plus, ces binaires de trous noirs de masse stellaire (c'est le terme officiel) sont inertes, ce qui signifie qu'il y a peu d'interaction entre l'étoile et le trou noir après la formation du trou noir.
Les chercheurs ont utilisé une approche semi-analytique pour calculer la probabilité qu'un coup de pied natal lors de la formation du trou noir conduise à la configuration observée du système.
Pour analyser la formation du système, les chercheurs ont utilisé diverses contraintes telles que la période orbitale, l'excentricité et la vitesse radiale systémique du système. Ils ont également effectué des estimations des asymétries à long terme des neutrinos lors de la formation du trou noir (en supposant que cela s'est produit en raison d'un effondrement complet et non d'une explosion).
Le Dr Vigna-Gómez a résumé les résultats en disant :« Nous avons constaté que le trou noir de VFTS 243 s'est formé sans explosion et qu'il avait un faible impact natal de neutrinos, le cas échéant. Cela suggère que les neutrinos ont été émis de manière presque égale dans toutes les directions lorsque le massif a été émis. l'ancêtre s'est effondré dans un trou noir."
Pour VFTS 243, les chercheurs ont limité la vitesse du coup de pied natal à une valeur inférieure ou égale à environ 10 kilomètres par seconde. Ils ont découvert que le scénario le plus probable est qu'environ 0,3 masse solaire ait été éjectée, vraisemblablement sous forme de neutrinos, et que le trou noir ait subi un coup natal d'environ 4 kilomètres par seconde.
Ces découvertes ont des implications pour la formation d'autres trous noirs, suggérant que certains peuvent se former via un effondrement complet, sans explosion.
De plus, l'émission de neutrinos à long terme est préférentiellement à symétrie sphérique (égale dans toutes les directions), ce qui explique l'absence d'un fort coup de pied natal pour le système binaire.
Le Dr Vigna-Gómez a ajouté :"Il semble que l'intuition théorique que nous avons construite sur les trous noirs ayant des coups de pied natals réduits par rapport aux étoiles à neutrons était correcte."
"Cette analyse montre que VFTS 243 peut être utilisé comme système de référence pour la simulation de supernovae avec effondrement du noyau, c'est-à-dire que les simulations d'étoiles qui s'effondrent en trous noirs d'environ dix masses solaires devraient s'aligner sur les petites asymétries des neutrinos et les coups de pied natals qui nous avons déduit pour VFTS 243."
Construire des cadres pour une population de trous noirs serait la prochaine étape pour les chercheurs dans leur tentative de comprendre l'évolution des étoiles massives.
