Le télescope Gemini North à Hawai’i révèle le premier trou noir dormant de masse stellaire dans notre arrière-cour cosmique

Les trous noirs sont les objets les plus extrêmes de l’Univers. Des versions supermassives de ces objets incroyablement denses résident probablement au centre de toutes les grandes galaxies. Les trous noirs de masse stellaire – qui pèsent environ cinq à 100 fois la masse du Soleil – sont beaucoup plus courants, avec environ 100 millions dans la seule Voie lactée. Cependant, seule une poignée d’entre eux ont été confirmés à ce jour, et presque tous sont “actifs”, ce qui signifie qu’ils brillent vivement dans les rayons X car ils consomment le matériau d’un compagnon stellaire à proximité, contrairement aux trous noirs dormants qui ne le font pas.

Les astronomes utilisant le télescope Gemini North à Hawai’i, l’un des télescopes jumeaux de l’Observatoire international Gemini, exploité par le NOIRLab de la NSF, ont découvert le trou noir le plus proche de la Terre, que les chercheurs ont surnommé Gaia BH1. Ce trou noir dormant est environ 10 fois plus massif que le Soleil et est situé à environ 1600 années-lumière dans la constellation d’Ophiuchus, ce qui le rend trois fois plus proche de la Terre que le précédent détenteur du record, un binaire à rayons X dans la constellation de Monoceros. . La nouvelle découverte a été rendue possible en faisant des observations exquises du mouvement du compagnon du trou noir, une étoile semblable au Soleil qui orbite autour du trou noir à peu près à la même distance que la Terre autour du Soleil.

“Prenez le système solaire, placez un trou noir là où se trouve le Soleil, et le Soleil là où se trouve la Terre, et vous obtenez ce système”, a expliqué Kareem El-Badry, astrophysicien au Centre d’astrophysique | Harvard & Smithsonian et le Max Planck Institute for Astronomy, et l’auteur principal de l’article décrivant cette découverte. “Bien qu’il y ait eu de nombreuses détections revendiquées de systèmes comme celui-ci, presque toutes ces découvertes ont par la suite été réfutées. Il s’agit de la première détection sans ambiguïté d’une étoile semblable au Soleil sur une large orbite autour d’un trou noir de masse stellaire dans notre Galaxie.”

Bien qu’il y ait probablement des millions de trous noirs de masse stellaire errant dans la Voie lactée, ceux qui ont été détectés ont été découverts par leurs interactions énergétiques avec une étoile compagne. Lorsque la matière d’une étoile proche se dirige vers le trou noir, elle devient surchauffée et génère de puissants rayons X et des jets de matière. Si un trou noir ne se nourrit pas activement (c’est-à-dire qu’il est en sommeil), il se fond simplement dans son environnement.

“J’ai recherché des trous noirs dormants au cours des quatre dernières années en utilisant un large éventail d’ensembles de données et de méthodes”, a déclaré El-Badry. “Mes tentatives précédentes – ainsi que celles des autres – ont révélé une ménagerie de systèmes binaires qui se font passer pour des trous noirs, mais c’est la première fois que la recherche porte ses fruits.”

L’équipe a initialement identifié le système comme hébergeant potentiellement un trou noir en analysant les données du vaisseau spatial Gaia de l’Agence spatiale européenne. Gaia a capturé les minuscules irrégularités dans le mouvement de l’étoile causées par la gravité d’un objet massif invisible. Pour explorer le système plus en détail, El-Badry et son équipe se sont tournés vers l’instrument Gemini Multi-Object Spectrograph sur Gemini North, qui a mesuré la vitesse de l’étoile compagnon alors qu’elle tournait autour du trou noir et a fourni une mesure précise de sa période orbitale. Les observations de suivi de Gemini ont été cruciales pour limiter le mouvement orbital et donc les masses des deux composants du système binaire, permettant à l’équipe d’identifier le corps central comme un trou noir environ 10 fois plus massif que notre Soleil.

“Nos observations de suivi Gemini ont confirmé au-delà de tout doute raisonnable que le binaire contient une étoile normale et au moins un trou noir dormant”, a expliqué El-Badry. “Nous n’avons pu trouver aucun scénario astrophysique plausible pouvant expliquer l’orbite observée du système qui n’implique pas au moins un trou noir.”

L’équipe s’est appuyée non seulement sur les superbes capacités d’observation de Gemini North, mais également sur la capacité de Gemini à fournir des données dans un délai serré, car l’équipe n’avait qu’une courte fenêtre pour effectuer ses observations de suivi.

“Lorsque nous avons eu les premières indications que le système contenait un trou noir, nous n’avions qu’une semaine avant que les deux objets soient à la distance la plus proche sur leurs orbites. Les mesures à ce stade sont essentielles pour faire des estimations de masse précises dans un système binaire”, a-t-il ajouté. dit El-Badry. “La capacité de Gemini à fournir des observations sur une courte période a été essentielle au succès du projet. Si nous avions raté cette fenêtre étroite, nous aurions dû attendre une autre année.”

Les modèles actuels des astronomes sur l’évolution des systèmes binaires ont du mal à expliquer comment la configuration particulière du système Gaia BH1 a pu se produire. Plus précisément, l’étoile progénitrice qui s’est transformée plus tard en trou noir nouvellement détecté aurait été au moins 20 fois plus massive que notre Soleil. Cela signifie qu’il n’aurait vécu que quelques millions d’années. Si les deux étoiles se formaient en même temps, cette étoile massive se serait rapidement transformée en une supergéante, gonflant et engloutissant l’autre étoile avant qu’elle n’ait eu le temps de devenir une véritable étoile de la séquence principale brûlant de l’hydrogène comme notre Soleil.

On ne sait pas du tout comment l’étoile de masse solaire aurait pu survivre à cet épisode, se retrouvant comme une étoile apparemment normale, comme l’indiquent les observations du binaire du trou noir. Les modèles théoriques qui permettent la survie prédisent tous que l’étoile de masse solaire aurait dû se retrouver sur une orbite beaucoup plus étroite que ce qui est réellement observé.

Cela pourrait indiquer qu’il existe des lacunes importantes dans notre compréhension de la formation et de l’évolution des trous noirs dans les systèmes binaires, et suggère également l’existence d’une population encore inexplorée de trous noirs dormants dans les binaires.

“Il est intéressant de noter que ce système n’est pas facilement adapté aux modèles d’évolution binaire standard”, a conclu El-Badry. “Cela pose de nombreuses questions sur la façon dont ce système binaire s’est formé, ainsi que sur le nombre de ces trous noirs dormants là-bas.”

“Dans le cadre d’un réseau d’observatoires spatiaux et terrestres, Gemini North a non seulement fourni des preuves solides du trou noir le plus proche à ce jour, mais également du premier système de trous noirs vierges, non encombré par le gaz chaud habituel interagissant avec le trou noir. “, a déclaré Martin Still, responsable du programme NSF Gemini. “Bien que cela augure potentiellement de futures découvertes de la population de trous noirs dormants prévue dans notre Galaxie, les observations laissent également un mystère à résoudre – malgré une histoire partagée avec son voisin exotique, pourquoi l’étoile compagne de ce système binaire est-elle si normale ? “

Les observations de Gemini North ont été faites dans le cadre du programme de temps discrétionnaire d’un réalisateur (identifiant du programme : GN-2022B-DD-202).

L’Observatoire international Gemini est géré par un partenariat de six pays, dont les États-Unis par l’intermédiaire de la National Science Foundation, le Canada par l’intermédiaire du Conseil national de recherches du Canada, le Chili par l’intermédiaire de l’Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, le Brésil par l’intermédiaire du Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações, l’Argentine par l’intermédiaire du Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación, et la Corée par l’intermédiaire de l’Institut coréen d’astronomie et des sciences spatiales. Ces Participants et l’Université d’Hawaï, qui a un accès régulier à Gemini, maintiennent chacun un “Bureau National Gemini” pour soutenir leurs utilisateurs locaux.