La microlentille gravitationnelle révèle un candidat trou noir, l’un des 200 millions dans la galaxie

Si, comme le pensent les astronomes, la mort des grandes étoiles laisse des trous noirs, il devrait y en avoir des centaines de millions dispersés dans la galaxie de la Voie lactée. Le problème est que les trous noirs isolés sont invisibles.

Maintenant, une équipe dirigée par l’Université de Californie à Berkeley, des astronomes ont pour la première fois découvert ce qui pourrait être un trou noir flottant librement en observant l’éclaircissement d’une étoile plus éloignée alors que sa lumière était déformée par le fort champ gravitationnel de l’objet — soi-disant microlentille gravitationnelle.

L’équipe, dirigée par l’étudiant diplômé Casey Lam et Jessica Lu, professeur agrégé d’astronomie à l’UC Berkeley, estime que la masse de l’objet compact invisible est comprise entre 1,6 et 4,4 fois celle du soleil. Parce que les astronomes pensent que le reste d’une étoile morte doit être plus lourd que 2,2 masses solaires pour s’effondrer en un trou noir, les chercheurs de l’UC Berkeley avertissent que l’objet pourrait être une étoile à neutrons au lieu d’un trou noir. Les étoiles à neutrons sont également des objets denses et très compacts, mais leur gravité est équilibrée par la pression interne des neutrons, ce qui empêche un nouvel effondrement en un trou noir.

Qu’il s’agisse d’un trou noir ou d’une étoile à neutrons, l’objet est le premier vestige stellaire sombre – un “fantôme” stellaire – découvert errant dans la galaxie sans être associé à une autre étoile.

“Il s’agit du premier trou noir ou étoile à neutrons flottant librement découvert avec une microlentille gravitationnelle”, a déclaré Lu. “Avec la microlentille, nous sommes capables de sonder ces objets solitaires et compacts et de les peser. Je pense que nous avons ouvert une nouvelle fenêtre sur ces objets sombres, qui ne peuvent être vus autrement.”

Déterminer combien de ces objets compacts peuplent la galaxie de la Voie lactée aidera les astronomes à comprendre l’évolution des étoiles – en particulier, comment elles meurent – et de notre galaxie, et peut-être révéler si l’un des trous noirs invisibles sont des trous noirs primordiaux, qui, selon certains cosmologistes, ont été produites en grande quantité lors du Big Bang.

L’analyse de Lam, Lu et leur équipe internationale a été acceptée pour publication dans Les lettres du journal astrophysique . L’analyse comprend quatre autres événements de microlentilles dont l’équipe a conclu qu’ils n’étaient pas causés par un trou noir, bien que deux aient probablement été causés par une naine blanche ou une étoile à neutrons. L’équipe a également conclu que la population probable de trous noirs dans la galaxie est de 200 millions – à peu près ce que la plupart des théoriciens avaient prédit.

Mêmes données, conclusions différentes

Notamment, une équipe concurrente du Space Telescope Science Institute (STScI) de Baltimore a analysé le même événement de microlentille et affirme que la masse de l’objet compact est plus proche de 7,1 masses solaires et indiscutablement un trou noir. Un article décrivant l’analyse de l’équipe STScI, dirigée par Kailash Sahu, a été accepté pour publication dans Le Journal Astrophysique.

Les deux équipes ont utilisé les mêmes données : des mesures photométriques de l’éclairement de l’étoile distante lorsque sa lumière était déformée ou “lentille” par l’objet super-compact, et des mesures astrométriques du déplacement de l’emplacement de l’étoile distante dans le ciel en raison de la force gravitationnelle. distorsion par l’objet lentille. Les données photométriques proviennent de deux relevés de microlentilles : l’expérience de lentille gravitationnelle optique (OGLE), qui utilise un télescope de 1,3 mètre au Chili exploité par l’Université de Varsovie, et l’expérience d’observations de microlentilles en astrophysique (MOA), qui est montée sur un 1,8- mètre télescope en Nouvelle-Zélande exploité par l’Université d’Osaka. Les données astrométriques proviennent du télescope spatial Hubble de la NASA. STScI gère le programme scientifique du télescope et mène ses opérations scientifiques.

Étant donné que les deux relevés par microlentille ont capturé le même objet, il porte deux noms : MOA-2011-BLG-191 et OGLE-2011-BLG-0462, ou OB110462, en abrégé.

Alors que des enquêtes comme celles-ci découvrent environ 2 000 étoiles éclairées par des microlentilles chaque année dans la galaxie de la Voie lactée, l’ajout de données astrométriques est ce qui a permis aux deux équipes de déterminer la masse de l’objet compact et sa distance à la Terre. L’équipe dirigée par l’UC Berkeley a estimé qu’elle se situe entre 2 280 et 6 260 années-lumière (700-1920 parsecs), en direction du centre de la Voie lactée et près du grand renflement qui entoure le trou noir massif central de la galaxie.

Le groupe STScI a estimé qu’il se trouve à environ 5 153 années-lumière (1 580 parsecs).

Chercher une aiguille dans une botte de foin

Lu et Lam se sont intéressés pour la première fois à l’objet en 2020 après que l’équipe STScI a provisoirement conclu que cinq événements de microlentille observés par Hubble – qui ont tous duré plus de 100 jours, et auraient donc pu être des trous noirs – pourraient ne pas être causés par des objets compacts après tout.

Lu, qui recherche des trous noirs flottants depuis 2008, pensait que les données l’aideraient à mieux estimer leur abondance dans la galaxie, qui a été estimée approximativement entre 10 millions et 1 milliard. À ce jour, des trous noirs de la taille d’une étoile n’ont été trouvés que dans le cadre de systèmes stellaires binaires. Les trous noirs dans les binaires sont visibles soit dans les rayons X, produits lorsque le matériau de l’étoile tombe sur le trou noir, soit par les récents détecteurs d’ondes gravitationnelles, qui sont sensibles aux fusions de deux trous noirs ou plus. Mais ces événements sont rares.

« Casey et moi avons vu les données et nous nous sommes vraiment intéressés. Nous avons dit : « Wow, pas de trous noirs. C’est incroyable », même s’il aurait dû y en avoir », a déclaré Lu. “Et donc, nous avons commencé à regarder les données. S’il n’y avait vraiment pas de trous noirs dans les données, cela ne correspondrait pas à notre modèle pour le nombre de trous noirs qu’il devrait y avoir dans la Voie lactée. Quelque chose devrait changer dans notre compréhension des trous noirs – soit leur nombre, soit la vitesse à laquelle ils se déplacent, soit leur masse.”

Lorsque Lam a analysé la photométrie et l’astrométrie pour les cinq événements de microlentille, elle a été surprise que l’un, OB110462, ait les caractéristiques d’un objet compact : l’objet de lentille semblait sombre, et donc pas une étoile ; l’éclaircissement stellaire a duré longtemps, près de 300 jours ; et la distorsion de la position de l’étoile d’arrière-plan était également de longue durée.

La durée de l’événement de lentille a été le principal indice, a déclaré Lam. En 2020, elle a montré que la meilleure façon de rechercher des microlentilles à trou noir était de rechercher des événements très longs. Seulement 1% des événements de microlentilles détectables sont susceptibles de provenir de trous noirs, a-t-elle déclaré, donc regarder tous les événements reviendrait à chercher une aiguille dans une botte de foin. Mais, a calculé Lam, environ 40 % des événements de microlentilles qui durent plus de 120 jours sont susceptibles d’être des trous noirs.

“La durée de l’événement d’éclaircissement est un indice de la masse de la lentille de premier plan qui courbe la lumière de l’étoile d’arrière-plan”, a déclaré Lam. “Les événements longs sont plus probablement dus aux trous noirs. Ce n’est pas une garantie, cependant, car la durée de l’épisode d’éclaircissement ne dépend pas seulement de la masse de la lentille de premier plan, mais aussi de la vitesse à laquelle la lentille de premier plan et l’étoile d’arrière-plan se déplacent par rapport. Cependant, en obtenant également des mesures de la position apparente de l’étoile d’arrière-plan, nous pouvons confirmer si la lentille de premier plan est vraiment un trou noir.”

Selon Lu, l’influence gravitationnelle d’OB110462 sur la lumière de l’étoile d’arrière-plan était étonnamment longue. Il a fallu environ un an pour que l’étoile atteigne son apogée en 2011, puis environ un an pour redevenir normale.

Plus de données distingueront le trou noir de l’étoile à neutrons

Pour confirmer que OB110462 a été causé par un objet super-compact, Lu et Lam ont demandé plus de données astrométriques à Hubble, dont certaines sont arrivées en octobre dernier. Ces nouvelles données ont montré que le changement de position de l’étoile à la suite du champ gravitationnel de la lentille est encore observable 10 ans après l’événement. D’autres observations Hubble de la microlentille sont provisoirement prévues pour l’automne 2022.

L’analyse des nouvelles données a confirmé qu’OB110462 était probablement un trou noir ou une étoile à neutrons.

Lu et Lam soupçonnent que les conclusions divergentes des deux équipes sont dues au fait que les données astrométriques et photométriques donnent des mesures différentes des mouvements relatifs des objets de premier plan et d’arrière-plan. L’analyse astrométrique diffère également entre les deux équipes. L’équipe dirigée par l’UC Berkeley soutient qu’il n’est pas encore possible de distinguer si l’objet est un trou noir ou une étoile à neutrons, mais ils espèrent résoudre l’écart avec plus de données Hubble et une analyse améliorée à l’avenir.

“Même si nous aimerions dire qu’il s’agit définitivement d’un trou noir, nous devons signaler toutes les solutions autorisées. Cela inclut à la fois les trous noirs de masse inférieure et peut-être même une étoile à neutrons”, a déclaré Lu.

“Si vous ne pouvez pas croire la courbe de lumière, la luminosité, alors cela dit quelque chose d’important. Si vous ne croyez pas la position par rapport au temps, cela vous dit quelque chose d’important”, a déclaré Lam. “Donc, si l’un d’eux est faux, nous devons comprendre pourquoi. Ou l’autre possibilité est que ce que nous mesurons dans les deux ensembles de données est correct, mais notre modèle est incorrect. Les données de photométrie et d’astrométrie proviennent du même processus physique, ce qui signifie que la luminosité et la position doivent être cohérentes l’une avec l’autre. Donc, il manque quelque chose.

Les deux équipes ont également estimé la vitesse de l’objet lentille super compact. L’équipe Lu/Lam a trouvé une vitesse relativement calme, moins de 30 kilomètres par seconde. L’équipe STScI a trouvé une vitesse inhabituellement élevée, 45 km/s, qu’elle a interprétée comme le résultat d’un coup de pied supplémentaire que le prétendu trou noir a reçu de la supernova qui l’a généré.

Lu interprète l’estimation de faible vitesse de son équipe comme soutenant potentiellement une nouvelle théorie selon laquelle les trous noirs ne sont pas le résultat de supernovas – l’hypothèse dominante aujourd’hui – mais proviennent plutôt de supernovas ratées qui ne font pas d’éclaboussures brillantes dans l’univers ou ne donnent pas le résultant trou noir un coup de pied.

Le travail de Lu et Lam est soutenu par la National Science Foundation (1909641) et la National Aeronautics and Space Administration (NNG16PJ26C, NASA FINESST 80NSSC21K2043).