Des astronomes auraient été les témoins de la création d'un trou noir

Alors que les dinosaures peuplaient encore la Terre il y a plus de 200 millions d'années, une immense étoile commençait à mourir. L'explosion cosmique qui en a résulté était si inhabituelle qu'elle a laissé les astronomes perplexes lorsque sa lueur a finalement atteint notre champ de vision en juin dernier.

D'après les dernières observations de l'étrange supernova, surnommée the cow (la vache en français), une équipe de 45 astronomes affirme que cette découverte pourrait être la première observation humaine du moment exact où une étoile mourante a donné naissance à un trou noir.

« C’est le but que nous cherchions à atteindre depuis des années », déclare le chef d’équipe, Raffaella Margutti, astrophysicienne à la Northwestern University. Margutti et ses collègues ont présenté leurs travaux cette semaine lors de la réunion annuelle de l'Union américaine d'astronomie à Seattle et publieront bientôt leurs résultats dans l'Astrophysical Journal.

Les données de l'équipe, capturées dans plusieurs longueurs d'onde, pourraient également signifier qu'une étoile massive s'est transformée en une étoile à neutrons, une sorte de cadavre stellaire très dense. Et d'autres équipes étudiant The Cow ont proposé des explications alternatives pour son comportement inhabituel. Alors que savons-nous de The Cow et pourquoi les astronomes ont-ils tant de mal à la décrire ? 

OÙ SE TROUVE THE COW, ET POURQUOI L'APPELLE-T-ON AINSI ?

The Cow a explosé à la périphérie de CGCG 137-068, une galaxie spirale naine située à environ 200 millions d'années-lumière de la Terre. On l'appelle « The Cow » en raison de son nom formel, généré automatiquement : AT2018cow. Une équipe d'astronomes utilisant les télescopes ATLAS à Hawaï l'a observée le 16 juin 2018 et a signalé l'objet à d'autres astronomes le 17 juin — provoquant un grand mouvement de télescopes se tournant pour observer l'explosion.

QU'EST-CE QUI REND THE COW SI PARTICULIÈRE ?

The Cow n'est pas le premier éclair de ce type dans le ciel nocturne, mais c'est le plus rapproché jamais détecté, offrant aux chercheurs une chance sans précédent d'en observer les détails. Il était par ailleurs très brillant, très rapide. Au sommet de The Cow, les rayons X étaient des dizaines de fois plus lumineux que les explosions stellaires normales, appelées supernovas. The Cow a atteint sa luminosité maximale en quelques jours seulement, alors qu'il faut des semaines aux supernovas communes pour atteindre leur niveau maximum.

De plus, la source d'énergie de The Cow n'était pas immédiatement identifiable. Normalement, les supernovas tirent leur énergie explosive du nickel 56, un isotope radioactif présent dans leurs entrailles. Mais lorsque les astronomes ont calculé la quantité de débris projetés par The Cow, ils ont trouvé une quantité étonnamment faible de débris - peut-être un dixième de la masse de notre Soleil, le cas échéant. C'est étrange, car les supernovas rejettent normalement des dizaines de débris.

Même si les débris étaient entièrement constitués de nickel 56, cela ne suffirait pas à alimenter l'explosion observée. De plus, les débris contenaient de l'hydrogène et de l'hélium, ce que les astronomes ne s'attendaient pas à trouver : les étoiles qui explosent en supernovas brûlent d'ordinaire ces éléments bien avant cela, car elles les utilisent comme combustibles nucléaires.

The Cow a également émis des radiations de manière inhabituelle. Quand l'équipe de Margutti a demandé à pointer le télescope à rayons X NuSTAR de la NASA sur l'objet, les données ont montré qu’un peu plus d’une semaine après son apparition, The Cow devenait étonnamment beaucoup plus brillante, avec des rayons X à haute énergie. « La première réaction lorsque nous avons obtenu ces données était : "peut-être que nous nous sommes trompés" », se rappelle Margutti.

SAVONS-NOUS CE QUI A PROVOQUÉ SON APPARITION ?

Le consensus actuel est qu'un « moteur central » compact se trouve au centre de The Cow et émet des rayons X de haute énergie. Quel que soit l'objet, cet objet est entouré d'une masse de matière asymétrique distincte projetée dans une sorte d'explosion.

« Il est très difficile d'expliquer cela comme un événement sphérique, car si la source de rayons X alimentait le rayonnement optique, comment les rayons X nous parviendraient-ils ? »

Dans le modèle créé par l'équipe de Margutti, les débris qui volent depuis les pôles de l'objet se déplacent et deviennent transparents plus rapidement que les nuages ​​autour de l'équateur de l'objet. Ces nuages ​​équatoriaux ont absorbé les rayons X de haute énergie du moteur, ce qui les a réchauffés et a généré la lumière visible de l'objet cosmique. Mais une partie des rayons X à haute énergie pourrait encore s'échapper des pôles plus clairs de The Cow.

Pendant ce temps, ses signaux radio montrent que The Cow se comportait comme un éléphant dans un magasin de porcelaine embrumé. Lorsque The Cow a explosé, une partie des débris de l'objet s'est déplacée vers l'extérieur, à plus de 29 000 km / s, soit jusqu'à un dixième de la vitesse de la lumière. Le matériau le plus rapide semble avoir pénétré dans un nuage dense de particules entourant la vache, réchauffant le voile et créant les émissions radio de l'objet.

DE QUOI POURRAIT ÊTRE FAIT SON « MOTEUR CENTRAL » ?

L'équipe de Margutti pense qu'il existe deux options principales. The Cow pourrait être une étoile à neutrons hautement magnétisée effectuant une rotation environ mille fois par seconde. L’autre possibilité est que l’objet soit apparu lorsqu’une supergéante bleue, étoile chaude et lumineuse, a manqué son explosion et s'est transformée en trou noir.

Dans ce scénario, la majeure partie de l'intérieur de l'étoile s'est effondrée pour former le trou noir, mais les couches externes de l'étoile ne l'ont d'abord pas ressenti. Au fur et à mesure que le trou noir intérieur se soulevait, il perdait de la masse sous la forme d'un essaim de particules fantomatiques appelées neutrinos. La fuite des neutrinos hors du centre de l'étoile a éjecté une partie du matériau extérieur avant que le trou noir ne puisse l'engloutir, et le reste a rapidement été incrusté dans un disque autour du trou noir nouvellement créé.

Y A-T-IL D'AUTRES HYPOTHÈSES SUR LA NATURE DE THE COW ?

Margutti et ses collègues ne sont pas les seuls à avancer l'hypothèse selon laquelle The Cow aurait un moteur central. Dans une autre étude acceptée par l'Astrophysical Journal, une équipe distincte dirigée par l'astronome Anna YQ Ho, aboutit à des conclusions similaires.

Mais Daniel Perley, astrophysicien à l’Université John Moores de Liverpool, suggère dans sa propre étude que The Cow aurait pu apparaître lorsqu’un trou noir préexistant et relativement massif aurait avalé une étoile semblable à notre soleil, lors d’un événement appelé marée noire. Lorsque l'immensité du trou noir a attiré l'étoile, ses gaz auraient pu s'accroître autour du trou noir formé dans un disque, créant ainsi une lueur inhabituelle.

La question qui se pose est de savoir s’il est logique qu’un trou noir de cette taille se trouve à la périphérie d’une galaxie, dans une zone qui devrait être dense en gaz conformément aux signaux radio émis par The Cow. Selon la théorie actuelle, les trous noirs de ce calibre devraient se former en amas d'étoiles, là où il n'y a pas beaucoup de gaz.

Margutti soutient que l'environnement de The Cow est beaucoup plus logique si le brouillard qui l'entourait était constitué de matière projetée par une énorme étoile, une étoile qui pourrait ensuite s'effondrer en une étoile à neutrons ou un trou noir. Mais Perley fait remarquer que nous n’avons pas encore trouvé ni étudié de trous noirs dans la fourchette de masse invoquée par son équipe. Nous ne pouvons donc pas être sûrs que la théorie corresponde à la réalité.

ET ENSUITE ?

Des observations à plus long terme de The Cow pourraient nous aider à comprendre la composition de son moteur central. Selon Metzger, si une étoile à neutrons aimantée repose sur le cœur de cet objet cosmique, elle pourrait émettre des éruptions de rayons X pendant des années. Un trou noir, cependant, ne clignoterait pas de cette façon.

Mais le meilleur moyen d'appréhender The Cow serait de trouver d’autres objets similaires. Les astronomes n’ont eu que récemment la capacité de repérer de tels éclats de lumière et de les suivre en temps réel, alors que de plus en plus de télescopes et d’enquêtes à grande échelle ont été mis en ligne.

« Ces relevés du ciel nocturne dépassent même la fiction... Nous vivons une période passionnante », estime Metzger. « Nous ne considérons pas seulement l'univers comme une chose statique, mais comme quelque chose pouvant être actif, même sur une échelle de temps de quelques jours. »