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Le trou noir

Illustration d'un trou noir entouré de son disque d'accrétion de gaz et de poussière détruisant un système exoplanétaire par l'effet des marées gravitationnelles. Document T.Lombry.

Les candidats au titre de trou noir (IX)

Les grands télescopes, les satellites de détection du rayonnement X tel que Chandra, XMM-Newton et NuSTAR ainsi que les réseaux de radiotélescopes interférométriques ont isolé plusieurs candidats[18] au titre de trous noirs potentiels, qu'il s'agisse de trous noirs stellaires et de faible masse ou galactiques et supermassifs.

Ce sont des candidats car concrètement, il est très difficile et souvent impossible de les détecter ou de les observer directement en raison de la luminosité qui se dégage de leur environnement ou, pour ceux qui seraient inactifs et sans disque d'accrétion, en raison de leur taille. A titre d'information, une singularité de 1 milliard de M située à 1.6 année-lumière soit 0.5 pc ne mesure que 0.0001" soit 0.1 mas ou 100 μas. C'est plus de dix fois inférieur à la résolution spatiale du SKA dont la ligne de base atteint 100 km (cf. ce schéma de C.L. Carilli et al., 2015). Seul un réseau interférométrique de radiotélescopes dont la base serait à l'échelle planétaire tel le EHT ou un réseau VLBI spatial combiné à une analyse très complexe des signaux permet de dépasser cette résolution mais les conditions techniques et observationnelles à remplir sont difficiles à réunir.

Les trous noirs stellaires

Un candidat très célèbre car historique est l'objet Cygnus X-1 qui fit l'objet d'un pari entre Stephen Hawking et Kip Thorne en 1974.

Cygnus X-1 est un système binaire situé à environ 6064 années-lumière constitué d'une étoile géante bleue nommée HDE 226868 de 31000 K et d'environ 30 M et d'un objet compact invisible (sauf en rayons X) d'environ 20 M[19]. Les deux composantes tournent autour de leur barycentre en 5.6 jours. Cygnus X-1 serait âgé d'environ 6 millions d'années.

A une époque, les astronomes se sont demandés de quelle façon ce trou noir s'était formé car il semblait présenter une masse trop faible pour avoir été formé lors de l'explosion d'une supernova de Type II. De plus, il n'y a aucune trace du rémanent (SNR) qui accompagne toujours ce type d'explosion.

Grâce au réseau Karl Jansky (ex VLBA), Mark J. Reid du Centre d'Astrophysique Harvard-Smithsonian et ses collègues ont calculé que le système binaire se déplace à 21 km/s par rapport à la Galaxie. L'absence de SNR et la vitesse du système binaire suggère que ce couple s'est formé dans le plan de la Galaxie et ne diffère pas des systèmes binaires classiques. En effet, si l'étoile progénitrice s'était transformée en supernova, le trou noir résultant aurait été expulsé à une vitesse bien plus élevée. On en déduit que l'étoile se serait donc effondrée directement en trou noir sans exploser.

Illustration artistique du trou noir Cygnus X-1 d'environ 15 masses solaires. Cliquer sur l'image pour lancer l'animation (Mpeg de 3.5 MB). Consulter le texte pour les explications. Document ESO.

Le trou noir attirant lentement l'étoile géante, la friction sur la matière provoque une dispersion du flux de gaz qui tombe en spirale sur le trou noir. Ce trou noir présente donc un disque d'accrétion, il est actif et émet un jet bipolaire très puissant. A ce titre, il fait partie de la famille des microquasars.

Il faut environ un mois pour que le gaz capturé en périphérie atteigne la région interne, la plus proche du trou noir. La friction continue sur le gaz porte la matière d’une température de quelques dizaines ou milliers de degrés aux limites extérieures de l’anneau d’accrétion, à plus de 10 millions de degrés près du centre. La luminosité de ce plasma est extraordinaire et se concentre dans les rayons X qui dépassent de plusieurs millions de fois la luminosité globale du Soleil sur tout le spectre.

Le flux de rayons X qui arrive sur Terre provient de la partie interne du disque d’accrétion, une région qui s’étend sur moins de 100 km de rayon. Le trou noir doit mesurer quelque 30 km de diamètre. Ainsi que le montre bien l'animation reprise à gauche, à mesure que la matière se rapproche du trou noir son rayonnement se décale de plus en plus vers les longues longueurs d'ondes, raison pour laquelle le nuage isolé de gaz représenté près du centre prend une coloration de plus en plus rouge puis il disparaît définitivement en atteignant le rayon de Schwarzschild.

Mais ne mettons pas la charrue avant les boeufs. Comme le rappelle Jean-Pierre Luminet, directeur de recherches au CNRS et spécialiste des trous noirs, "Il suffirait que la distance qui nous sépare du système Cygnus-X1 soit plus courte de 10% pour que la masse minimale du compagnon hyperdense tombe en dessous du seuil fatidique des trois masses solaires".

Si ceci est vrai pour ce candidat problématique proche de nous, il existe dans l'Univers des candidats au titre de trou noir bien plus massifs où même une imprécision des calculs ne change pas radicalement l'ordre de grandeur astronomique de leur masse qui s'exprime en dizaines de millions et même en milliards de masses solaires !

Le trou noir de la Licorne

Le candidat de trou noir le plus proche du système solaire se situe à 1500 années-lumière dans la constellation de la Licorne (Monoceros), d'où il tire son nom : la Licorne (Unicorn). Sa masse est d'environ 3 M. Il fut découvert en 2021 par l'équipe de l'astronome Tharindu Jayasinghe de l'Université d'État de l'Ohio (cf. T.Jayasinghe et al., 2021).

A voir : Unicorn’ Black Hole Discovered in Monoceros Constellation, OSU, 2021

Illustration du trou noir de la Licorne et de son compagnon V723 Mon. Document OSU.

En fait, ce trou noir stellaire (potentiel) fut découvert grâce à son compagnon, l'étoile géante jaune V723 Monocerotis de classe G0 II et de magnitude ~8.3. Son atmosphère est déformée par l'effet de marée, lui donnant la forme d'une goutte. Cette étoile présente une température effective de ~4440 K, une luminosité de ~173 L, un rayon de ~25 R pour seulement ~1 M. La luminosité du système en rayons X est d'environ 7.6x1029 ergs/s, correspondant à une luminosité un milliard de fois inférieure à la Luminosité d'Eddington, ceci confirmant que l'objet central est compact.

Autres trous noirs stellaires potentiels

Dans la Voie Lactée :

- le microquasar V404 Cygni, un système binaire situé à environ 7800 années-lumière qui connut des éruptions X et gamma spectaculaires en 1989 (que certains associèrent à l'époque à une nova) et en 2015. On estime qu'il abrite un trou noir stellaire de 12 M. Particularité, son champ magnétique est 400 fois plus faible qu'estimé pour ce type de système.

- Le microquasar GRS 1915+105 alias V1487 Aquilae découvert en 1994 à environ 30000 années-lumière. Ce système binaire X abrite le trou noir stellaire le plus massif avec une masse estimée entre 10-18 M. Sa période de rotation est de 950 Hz soit 950 rotations par seconde qui frise la limite théorique qui est de 1150 fois par seconde au-delà de laquelle il éclaterait.

- L'amas globulaire Palomar 5 découvert par Walter Baade en 1950 dans la constellation du Serpent à ~65000 années-lumière du Soleil dans le halo galactique. Cet amas globulaire est âgé d'environ 11 milliards d'années. En moyenne les étoiles sont séparées les unes des autres de seulement quelques années-lumière (souvent de l'ordre de la distance qui nous sépare de l'étoile la plus proche). Palomar 5 est très pâle (Mv 11.5), dix fois moins massif et cinq fois plus étendu que les autres amas globulaires et libère surtout une traînée d'étoiles qui s'étend sur plus de 20° dans le ciel. C'est le seul amas globulaire présentant des courants stellaires de marée.

Dans une étude publiée dans la revue "Nature" en 2021, Mark Gieles de l'Université de Barcelone et ses collègues ont suggéré que Palomar 5 contiendrait en son coeur plus de 100 trous noirs stellaires.

A voir : N-body simulation of Palomar 5 and its stream, M.Gieles, 2021

A gauche, l'amas globulaire Palomar 5. A droite, illustration de la concentration de trous noirs au coeur de cet amas globulaire. Documents SDSS et T.Lombry.

Selon les auteurs, sur base de simulations à N corps, ils estiment que "plus de 20% de la masse totale de l'amas est constituée de trous noirs, chacun ayant une masse d'environ 20 M. Ils se sont formés suite à l'explosion d'étoiles massives en supernova. Les amas globulaires étendus dominés par les trous noirs sont donc les progéniteurs probables des fins courants stellaires récemment découverts dans le halo galactique."

Sous l'effet des interactions gravitationnelles, beaucoup d'étoiles furent éjectées de l'amas, si bien que dans un milliard d'années on estime que cet amas globulaire ne contiendra plus que des trous noirs.

- L'amas globulaire NGC 6397 (Caldwell 86) situé à 7800 années-lumière dans la constellation de l'Autel (Ara) est âgé d'environ 13.4 milliards d'années et abriterait non pas un IMBH mais plusieurs trous noirs stellaires. En effet, dans un article publié dans la revue "Astronomy & Astrophysics" en 2021, Eduardo Vitral et Gary A. Mamon ont noté que la masse concentrée près du centre de l'amas n'est pas réellement ponctuelle comme elle devrait l'être sous l'emprise d'un seul trou noir de masse intermédiaire. Les chercheurs suggèrent qu'il abriterait plutôt plusieurs trous noirs stellaires ainsi que de nombreuses étoiles compactes (naines blanches et étoiles à neutrons). De plus ces trous noirs stellaires seraient des cibles de choix pour la détection d'ondes gravitationnelles par la Collaboration LIGO/Virgo en cas de coalescence de ces trous noirs dans un proche avenir. Reste à débusquer tous ces objets compacts pour valider cette théorie.

A gauche, la région de LMC-X-1 qui abriterait un trou noir stellaire d'environ 3 masses solaires. A sa droite, le mini trou noir de 500 masses solaires qui se cache dans le coeur de la galaxie irrégulière M82 qui contient par ailleur un trou noir supermassif de 30 millions de masses solaires. Analysé en rayons X le point brillant indiqué par la flèche représente la chaleur émise par le disque d'accrétion composé de plasma qui entoure le trou noir. Cette étoile effondrée ne serait pas plus grande que la Lune. A droite du centre, illustration du disque de gaz et de poussières d'environ 10 années-lumière entourant le trou noir supermassif de 15 millions de masses solaires situé au coeur de la galaxie spirale barrée M77 alias NGC 1068, le prototype des AGNs situé à 45 millions d'années-lumière dont voici une image prise par le VLT. L'existence de ce disque fut confirmée en 2015 grâce aux observations en interférométrie du VLT et en X des télescopes spatiaux NuSTAR et XMM-Newton. Chaque année, à travers ses jets polaires, ce trou noir éjecte l'équivalent de plusieurs masses solaires à environ 3000 a.l. A droite, l'amas globulaire NGC 6397. Documents Rosat/MPG, Chandra/SAO/NASA, Greg Bacon/STScI, NASA/JPL et ESO/MPI.

D'autres chercheurs ne partagent pas l'avis de Vitral et Mamon. Dans un article publié dans les "RNAAS Research Notes" en 2021 (en PDF sur arXiv), Nicholas Rui du TAPIR du Caltech (l'institut où travailla Kip S. Thorne) et ses collègue rappellent qu'un nombre important de trous noirs dans un amas fournirait un fort chauffage dynamique et est fondamentalement incompatible avec le profil d'effondrement qu'on observe dans le coeur de cet amas globulaire. Se basant sur des modélisations, selon les chercheurs, "la population noire centrale de NGC 6397 est exactement représentée par un sous-système compact de naines blanches [...]. Ces sous-amas centraux de naines blanches lourdes sont en fait une caractéristique générique des amas à noyau effondré, tandis que des sous-amas centraux de trous noirs sont présents dans tous les amas non effondrés."

- un trou noir aurait été identifié dans le système triple HR 6819 situé dans la constellation du Télescope à environ 1011 années-lumière (310 ±60 parsecs) du Soleil. Mais la présence du trou noir ne fut jamais validée. Les commentaires ci-dessous sont donc publiés pour mémoire.

L'objet compact hypothétique fut découvert indirectement par la méthode de la vitesse radiale qui permit de le détecter suite aux perturbations gravitationnelles qu'il engendre sur l'étoile orbitant autour de lui dont on voit une photo ci-dessous au centre. L'étoile de type Be III présente une masse d'au moins 5 M tandis que celle du trou noir serait d'au moins 4.2 M et. les deux astres présentent des orbites circulaires.

Les données enregistrées au moyen du spectrographe FEROS installé sur le télescope de 2.20 m de l'ESO à La Silla au Chili ont montré que la période de l'étoile intérieure est de 40 jours tandis que la seconde étoile gravite à plus grande distance comme on le voit sur l'illustration présentée ci-dessous à droite.

Selon l'équipe de Thomas Rivinius de l'ESO qui l'étudia en détails, l'objet compact du système HR 6819 est l'un des tout premiers exemples de trou noir potentiel de masse stellaire n'interagissant pas violemment avec son environnement et, par conséquent, apparait vraiment noir. Il ne présente pas de disque d'accrétion.

Mais les astronomes Douglas Gies et Luqian Wang de l'Université d'État de Géorgie, aux Etats-Unis, sont d'un autre avis : "Il est possible que la composante stellaire B3 III soit en fait une étoile de faible masse, encore relativement jeune et lumineuse. Dans ce cas, l'étoile Be serait le compagnon d'un système binaire d'une période de 40 jours au lieu d'un trou noir". Aux dernières nouvelles (2020), il n'y aurait pas de trou noir dans ce système.

Notons que l'article de Rivinius et ses collègues fait aussi référence au trou noir LB-1 situé à la même distance mais de nouvelles analyses ont montré que ce trou noir hypothétique n'existe pas. On y reviendra à propos des systèmes multiples.

A consulter : HR6819, TheSky Live

A gauche, localisation de l'hypothétique trou noir stellaire dans le système triple HR 6819 situé à 1011 années-lumière dans la constellation du Télescope (dans le cercle vert). Au centre, l'étoile principale du système photographiée dans le cadre du sondage DSS2 de l'ESO. A droite, illustration artistique du système. Le système comprend une binaire intérieure avec une étoile (orbite bleue) et un trou noir (orbite rouge) et une troisième étoile dans une orbite plus large (orbite verte). Aux dernières nouvelles, l'objet compact ne serait pas un trou noir mais une étoile. Documents ESO adapté par l'auteur, ESO/DSS2 et ESO/L.Calçada.

Dans le Groupe Local :

- Grâce aux satellites Uhuru (1971) puis Rosat (1990), les astronomes ont découvert des émissions X dans plusieurs objets situés dans le Grand Nuage de Magellan à 166000 années-lumière. Il s'agit de LMC-X-1 et LMC-X-3, deux systèmes binaires abritant chacun probablement un trou noir stellaire de respectivement environ 3 M et 7.6 M.

Dans l'univers extraglactique :

- Parmi les objets extragalactiques, l'amas globulaire NGC 1601 situé à 228 millions d'années-lumière dans la constellation de l'Eridan contiendrait plusieurs centaines de trous noirs stellaires (cf. cette étude de 2016 basée sur des simulations).

Les trous noirs de masse intermédiaire

Les trous noirs de masse intermédiaire ou trous noirs intermédiaires (IMBH en abrégé) variant entre 100 et 1 million de masses solaires sont peu nombreux mais plusieurs candidats ont déjà été détectés parmi lesquels :

- Le coeur de l'amas globulaire Mayall 2 (G1) gravitant autour de la galaxie d'andromède M31 contient un IMBH de 20000 M

- Le coeur du nuage moléculaire CO-0.40-0.22 situé à 200 années-lumière de Sagittarius A* abriterait un IMBH de 100000 M

- Le coeur de la galaxie NGC 4395 située à 13 millions d'années-lumière abriterait un IMBH de 360000 M

- La galaxie spirale RX J1140.1+0307 abriterait également un IMBH

A voir : Hubble Uncovers Concentration of Small Black Holes (NGC 6397), NASA

Ci-dessus à gauche (a), le nuage moléculaire CO-0.40-0.22 situé à proximité de Sagittarius A* observé dans les raies d'émissions des molécules de monoxyde de carbone (CO). Au centre (b), les ellipses délimitent les bulles de gaz contenant de l'acide cyanhydrique (HCN). Leurs vitesses et leurs mouvements très dispersés indiquent qu'elles sont sous l'influence du champ gravitationnel de CO-0.40-0.22 qui abriterait un objet de 100000 masses solaires distribué sur 0.6 année-lumière. A droite, l'amas globulaire G1 alias Mayall 2. Ci-dessous, de gauche à droite, respectivement la galaxie 3XMM J215022.4-055108 près de laquelle s etrouve un IMBH (le cercle), la galaxie NGC 4395, la galaxie RX J1140.1+0307 et la galaxie lenticulaire ESO 243-49 avec la source HLX-1 (le cercle). Documents Tomoharu Oka/U.Keio, Hubblesite, NASA/ESA/D.Lin, Bob Franke, NASA/ESA/J.Schmidt et NASA/ESA/S.Farrell.

- La galaxie irrégulière M82 située dans la Grande Ourse abriterait un petit trou noir de 400-500 M dénommé M82 X-1.

- Une source X située près de la galaxie elliptique barrée 3XMM J215022.4-055108 située à 805 millions d'années-lumière abriterait un IMBH d'environ 50000 M, mais ce n'est pas encore confirmé.

- La galaxie lenticulaire ESO 243-49 abrite la source HLX-1 qui cacherait un IMBH.

Les trous noirs supermassifs

Les trous noirs supermassifs ont une masse minimale de 50000 M et de toute évidence il ne semble pas y avoir de maximum ou presque ainsi que nous allons le découvrir.

On estime que toutes les galaxies massives connues, y compris les quasars, abritent un trou noir supermassif de plusieurs millions ou milliards de masses solaires, dont voici une courte liste :

- le cœur des galaxies M31, M32, M49, M59, M60, M61, M81, M82, M84, M85, M88, M96, M104, M105, M106, M108, NGC 109, NGC 4261 et NGC 6240 parmi les plus connues

- le cœur des galaxies de Markarian (galaxies de Seyfert et quasars) Mrk 79, Mrk 231, Mrk 335, Mrk 501, Mrk 509, Mrk 771, Mrk 817, Mrk 1095

- le cœur des AGNs Centaurus A (NGC 5128), Cygnus A, Hercules A, Perseus A, Virgo A (M87) et des galaxies de Seyfert M77 (NGC 1068) et 3C273.

A partir des données du sondage SLOAN (DSS) qui répertoria 120000 galaxies, en 2003 on estimait que 20000 d'entre elles soit une sur six abriterait un trou noir supermassif. L'analyse des quasars montra que ce nombre pouvait être entre deux et cinq fois supérieur, ce qui signifie que pratiquement toutes les galaxies abriteraient un trou noir supermassif !

Aux dernières nouvelles, les galaxies de Seyfert et celles présentant un noyau peu actif abriteraient un trou noir supermassif de 1 à 100 millions de M tandis que les quasars abriteraient un trou noir de plus de 100 millions de M. Voyons quelques sujets remarquables triés en fonction de leur masse en commençant par celui situé au centre de notre Galaxie présenté ci-dessous.

Le coeur de la Voie Lactée contiendrait un trou noir supermassif car la distribution et les mouvements des étoiles indiquent la présence d'un corps compact d'environ 4.3 millions de masses solaires qui attire à lui très rapidement les étoiles situées à quelques années-lumière de distance. Son attraction accélère certaines étoiles proches (quelques jours-lumière) jusqu'à 4500 km/s soit 16 millions de km/h ! Ce trou noir supermassif est situé dans la source Sgr A*.

Simulation du trou noir supermassif Sgr A* et de celui de M87 que pourraient observer les astronomes grâce à l'installation VLBI de l'Event Horizon Telescope, respectivement d'après le modèle 39 à 690 GHz, le modèle MBQ à 230 GHz et le modèle DJ1 (pour M87). Voir aussi les animations sur Black Hole Cam. Le croissant brillant est provoqué par l'effet relativiste sur la lumière et la courbure des rayons suite à l'effet gravitationnel. Documents extraits de F.Roelofs et al. (2019) et Ricarte & Dexter (2014).

Parmi les autres objets du ciel profond abritant vraisemblablement un trou noir supermassif citons par masse croissante :

- le cœur du quasar ULAS J112001.48+064124.3 (ou JJ1120+0641 en abrégé) situé dans la constellation du Lion abriterait un trou noir supermassif d'environ 2 millions de masses solaires. Mais le plus étonnant est que ce quasar est non seulement très lumineux (l'équivalent de 63000 milliards de soleils soit plus de 150 à 300 fois la Voie Lactée) mais il se trouve à plus de 13 milliards d'années-lumière (z=7.085). Il est difficile de comprendre comment un trou noir aussi massif a pu se former à peine 770000 ans après le Big Bang, dans un Univers ayant 6% de sa taille actuelle. Mais nous verrons que ce n'est pas un cas exceptionnel ni même le record (voir plus bas à propos du trou noir le plus âgé).

- Le cœur de la galaxie NGC 1365 située dans l'amas du Fourneau à 60 millions d'années-lumière abrite un trou noir supermassif de 2 millions de masses solaires. Son diamètre (horizon externe ou horizon des évènements) mesure plus de 3 millions de km et sa surface tourne pratiquement à la vitesse de la lumière (taux de rotation A* ~ 1) !

- le cœur de la galaxie M77, alias NGC 1068, une galaxie de Seyfert II prototype des AGNs de magnitude apparente +9.6 située à environ 47 millions d'années-lumière abrite un trou noir supermassif de 15 millions de masses solaires entouré d'un disque d'accrétion de gaz et de poussières d'environ 10 années-lumière de diamètre. C'est la première galaxie où les astronomes ont observé en détail (résolution de 2.5 pc) le tore de poussières entourant le trou noir.

- La radiosource NGC 5128, Centaurus A, située à 12 millions d'années-lumière abriterait un trou noir supermassif de 55 millions de masses solaires qui émet par ailleurs un jet de plasma.

La radiosource NGC 5128, Centaurus A, située à 12 millions d'années-lumière. Cet AGN présente un diamètre apparent d'environ 16' soit le quart de la pleine Lune mais s'étend en réalité sur au moins 5° en comptant son halo. A gauche, une photographie prise en 2012 par le télescope de 2.2 m de l'ESO à La Silla. L'exposition totale a dépassé 50 heures et révèle toute l'extension de la galaxie elliptique dont voici une photo montrant les coquilles extérieures encore plus étendues photographiées par le CTIAO. Au centre, compositage des images visibles (RGB), IR proche à 870 nm (orange), radio submillimétrique (jets extérieurs orange) et X (bleu et halo central) réalisé en 2009. A droite, une image générale montrant l'extension du halo qui contient au moins 16 galaxies naines satellites. Documents ESO, ESO/NASA et Christian Wolf/ANU.

- le coeur du quasar RXJ1131-1231 situé à 3.8 milliards d'années-lumière abrite un trou noir supermassif d'au moins 100 millions de masses solaires mesurant ~190 millions de kilomètres de rayon soit 1.28 UA.

- le cœur de la galaxie spirale barrée NGC 1097 située à 45 millions d'années-lumière dans le Fourneau abriterait un trou noir supermassif de 140 millions de masses solaires.

Le blazar CTA 102 situé dans Pégase à 8 milliards d'années-lumière photographié par Tom Polakis avec un télescope de 317 mm f/6.7, 3 minutes d'exposition avec une caméra CCD SBIG ST-3603. CTA 102 brillait à la magnitude V=12.2. La petite galaxie à sa droite est NGC 7305 située à 400 millions d'années-lumière. 

- le cœur de la galaxie d'Andromède M31 situé à 2.5 millions d'années-lumière abriterait un trou noir supermassif de 230 millions de masses solaires. Son compagnon elliptique M32 abriterait également un trou noir galactique.

- le cœur de la galaxie NGC 7052 abriterait un trou noir de 300 millions de masses solaires entouré d'un disque de gaz et de poussières d'environ 3 millions de masses solaire. Ce disque est l'un des plus vastes; son diamètre atteint 3700 années-lumière !

- le coeur du fameux blazar CTA 102 (QSO 2230+114 ou 4C 11.69) présenté à droite abrite un trou noir supermassif de plus de 851 millions de masses solaires. Ses émissions gamma ont été détectées par le satelite EGRET jusqu'à plus de 100 MeV. Rappelons que cet objet de la famille des quasars est situé à 8 milliards d'années-lumière dans Pégase. Il brille normalement à la magnitude +16.5 mais peut atteindre +13.8 lors de sursauts d'éclats comme en 2012 et 2016 (cf. ce graphique de l'AAVSO) et même descendre sous la magnitude +12 comme fin 2016, devenant le seul quasar situé à cette distance visible dans un télescope amateur de 150 à 200 mm de diamètre.

Ensuite, il y a quelques trous noirs supermassifs pesant plusieurs milliards de masses solaires, soit autant qu'une galaxie :

- Le cœur du quasar QA2237+0305 contenant la fameuse "Croix d'Einstein" abriterait un trou noir supermassif de 1 milliard de masses solaires et dont le taux de rotation, le spin A* ≥ 0.65.

- le cœur de la radiogalaxie M87, Virgo A, alias 3C274, de magnitude apparente +9.59 située à ~55 millions d'années-lumière abriterait un trou noir supermassif de ~6.5 milliards de masses solaires et émet un jet relativiste sur 30" soit 4900 années-lumière (cf. les quasars). Son ISCO (Innermost Stable Circular Orbit ou la dernière orbite circulaire stable avant l'horizon des évènements) vaut 5.5 fois le rayon de Schwarzschild (la taille de l'horizon des évènements). Son disque d'accrétion est en orbite prograde, c'est-à-dire qu'il tourne dans le même sens que le trou noir.

Ce trou noir supermassif est gigantesque; avec un rayon d'environ 19 milliards de km soit ~127 UA ou 0.002 année-lumière, il est ~27000 fois plus grand que le Soleil et 3 millions de fois plus grand que la Terre ! C'est 3 fois la distance moyenne du Soleil à Pluton !

Comme on le voit ci-dessous à gauche, grâce à une configuration radioastronomique VLBI à l'échelle planétaire (cf. ce schéma), en 2019 (données d'avril 2017), une équipe de 168 astronomes rassemblés dans la Collaboration EHT parvint pour la première fois à le "photographier" à 230 GHz soit 1.3 mm de longueur d'onde. Grâce à un algorithme de traitement d'image développé par Katie Bouman du MIT, l'EHT atteignit une résolution angulaire de 0.00002" soit 0.02 mas ou 20 μas. L'image représente 5 PBytes de données ! Le trou noir est la zone centrale sombre.

On reviendra sur le trou noir supermassif de M87 dans l'article consacré aux quasars et autres radiogalaxies.

A voir : Zoom Out of the Black Hole M87*, EHT, 2021

A gauche, la première image du trou noir supermassif de M87 (Virgo A) situé à ~55 millions d'années-lumière réalisée par l'EHT en 2019 (données du 11 avril 2017). C'est un document historique réalisé grâce à un algorithme de traitement d'image développé par Katie Bouman du MIT. L'image est floue en raison de l'effet de la diffusion interstellaire. Le croissant brillant est provoqué par l'effet relativiste sur la lumière et la courbure des rayons suite à l'effet gravitationnel. A droite, une modélisation mettant en évidence la sphère de photons (l'anneau jaune). L'image réelle est compatible avec le rayonnement émis par le disque d'accrétion situé près de l'horizon des évènements d'un trou noir de Kerr de 6.5 milliards de masses solaires. Avec un rayon d'environ 19 milliards de km, il est ~27000 fois plus grand que le Soleil et 3 millions de fois plus grand que la Terre ! Documents EHT/ApJ.

- le cœur de la galaxie NGC 3842, la plus brillante de l'amas du Lion (Mv=12.8) située à 331 millions d'années-lumière abriterait un trou noir supermassif de 9.7 milliards de masses solaires.

- le cœur de l'amas de galaxies MS 0735.6+7421 situé dans la constellation de la Girafe (entre Dubhe de la Grande Ourse et l'étoile polaire) abrite un trou noir supermassif de 10 milliards de masses solaires qui porte le même nom que l'amas.

Début 2005, grâce au satellite Chandra, l'astrophysicien Brian McNamara de l'Université d'Ohio et son équipe ont découvert l'une des plus grandes éruptions jamais observée autour d'un trou noir : l'énergie libérée atteignit 1061 ergs soit 1054 J ! MS 0735.6+7421 ressemble à l'amas extragalactique Perseus. En effet, tout deux affichent un disque d'accrétion central très lumineux, entouré par deux immenses cavités vides de matière, à la différence que celles de MS 0735.6+7421 sont dix fois plus vastes : elles mesurent 600000 a.l. de diamètre !

A voir : The life and death of black holes explained

A gauche, le quasar Mrk 231 abriterait un trou noir binaire supermassif de 12 milliards de masses solaires. Au centre, la configuration spatiale du trou noir binaire supermassif OJ 287 de 17 milliards de masses solaires. A droite, l'aspect dans le rayonnement X de l'étrange structure baptisée MS 0735.6+7421 comparée à l'amas Perseus à la même échelle. Le trou noir se situe dans l'objet brillant central. Documents NASA/ESA/STScI, Tuorla Obs./U.Turku et Chandra/B.McNamara et al.

Ce nouveau candidat se situe pratiquement à 3 milliards d'années-lumière et brille aussi fort que l'amas de Perseus qui se situe dix fois plus près (250 millions a.l.) !

MS 0735.6+7421 est entouré d'une immense bulle de gaz. Ce gaz qui apparaît en rouge sur l'image de Chandra présente une température de plusieurs millions de degrés. Il provient d'une immense éruption X générée par le trou noir.

Comment explique-t-on ce phénomène ? Les deux cavités qui apparaissent de part et d'autre du trou noir central (caché dans l'objet brillant) ne contiennent pas beaucoup de gaz chaud. Elles représentent en fait deux immenses bulles magnétisées contenant des électrons de très haute énergie émettant des ondes radios.

La magnitude de l'éruption découverte par Chandra suggère qu'une grande quantité de gaz et de plasma sont en train de s'engouffrer vers le trou noir central. Ce phénomène génère des champs électromagnétiques très intenses qui ont éjecté une fraction du gaz sous forme de jets bipolaires contenant des particules de haute énergie. Ces deux jets expulsés dans des directions opposées ont repoussé le gaz chaud sur les côtés, ce qui a donné naissance à ces cavités.

Selon Brian McNamara de l'Université d'Ohio, depuis qu'il existe le trou noir aurait déplacé une masse de gaz d'environ mille milliards de masses solaires ! Les trois animations présentées ci-dessus illustrent ce phénomène.

A voir : Black Hole Comparison

Tailles respectives d'un trou noir de 1 M jusqu'à celui de 20 milliards de M

Simulation de l'activité de MS 0735.6+7421

A gauche, explication de la structure de l'objet (mpeg de 1.6 MB). Au centre, comparaison de sa taille avec l'amas Perseus (mpeg de 1.4 MB). A droite, explication de la formation des cavités (mpeg de 3.5 MB). Documents Chandra/B.McNamara.

Chandra a déjà découvert des cavités de rayonnement X dans d'autres galaxies, mais celles de MS 0735.6+7421 sont à ce jour les plus vastes et les plus énergiques. Pour créer une telle éruption, McNamara estime que le trou noir supermassif central a dû engloutir sous forme de gaz l'équivalent de quelque 300 millions de masses solaires au cours des 100 derniers millions d'années, soit en moyenne entre 10 et 1000 étoiles de la masse du Soleil chaque année !

- le coeur du quasar J0100+2802 abriterait un trou noir supermassif de 12 milliards de masses solaires.

- le coeur du quasar Mrk 231, alias UGC 8058, qui est une galaxie de Seyfert de Type 1 située à 600 millions d'années-lumlière abriterait un trou noir binaire supermassif de 12 milliards de masses solaires.

- la source primaire de l'objet BL Lacertae OJ 287 de magnitude apparente +14.83 situé à 3.5 milliards d'années-lumière abriterait un trou noir binaire supermassif de 17 milliards de masses solaires autour duquel graviterait un "petit" trou noir de 100 millions de masses solaires. Le rayon du trou noir principal serait de 52 milliards de kilomètres ou 347 UA soit près de 9 fois la distance du Soleil à Pluton (dont le demi-grand axe vaut 39.4 UA)

- le coeur de la galaxie elliptique NGC 1600 située dans la constellation d'Eridan à environ 208 millions d'années-lumière abriterait un trou noir supermassif de 17 milliards de masses solaires (cf. J.Runge et S.Walker, 2021; J.Thomas et al., 2021).

La galaxie elliptique géante NGC 4889 abrite un trou noir supermassif de 21 milliards de masses solaires et de 65 milliards de kilomètres de rayon ou 434 UA soit 11 fois la distance du Soleil à Pluton. Document NASA/ESA/STScI.

- le centre de l'amas de galaxies SPT-CLJ2344-424311 situé dans la constellation du Phoenix à z=0.596 contiendrait un trou noir supermassif de 20 milliards de masses solaires. On estime qu'il engloutit l'équivalent de 60 millions de masses solaires chaque année.

- le QSO SMSS~J215728.21-360215.1 situé dans la constellation du Poisson Austral à 12 milliards d'années-lumière abrite un trou noir supermassif de 20 milliards de masses solaires. Il engloutit une masse solaire tous les deux jours.

C'est également  le quasar le plus lumineux avec une magnitude absolue proche de -30. Selon l'astrophysicien Christian Wolf de l'Université Nationale Australienne (ANU), s'il occupait le centre de la Voie Lactée, il brillerait 10 fois plus que la pleine Lune et rendrait toutes les autres étoiles très pâles.

- le coeur du quasar APM 08279+5255 situé à 12 milliards d'années-lumière abriterait un trou noir supermassif de 23 milliards de masses solaires.

- le coeur du quasar H1821+643 situé à 3.4 milliards d'années-lumière dans le Dragon abriterait un trou noir supermassif de 30 milliards de masses solaires.

- le coeur de l'objet SDSS J102325.31+514251.0 abriterait un trou noir supermassif de 33 milliards de masses solaires.

- le coeur du quasar S5 0014+813 alias 6C B0014+8120 situé à 12.1 milliards d'années-lumière (z=3.366) dans Céphée abriterait un trou noir supermassif de 40 milliards de masses solaires (maximum).

Ce quasar ou plus exactement ce blazar FSRQ est une galaxie elliptique géante de magnitude apparente +24. Le rayon de Schwarzschild du trou noir mesure 118.35 milliards de kilomètres soit 791 UA ou 20 fois la distance moyenne du Soleil à Pluton ! Sa magnitude bolométrique (en tenant compte de l'ensemble du spectre) atteint -31.5 soit une luminosité 385 mille milliards (3.846x1014) de fois supérieure à celle du Soleil, équivalente à 25000 Voie Lactée ! Ce trou noir développe une puissance supérieure à 1041 W. Ce trou noir absorberait l'équivalent de 4000 masses solaires chaque année. Vu sa masse, on estime que ce trou noir survivra environ 101000 ans !

- Le coeur de la galaxie elliptique géante Holmberg 15A (Holm 15A) abriterait un trou noir supermassif de 40 milliards de masses solaires. L'estimation est basée sur des spectres en haute-résolution obtenus par l'instrument MUSE du VLT et des modèle de Schwarzschild asymétriques. On estime son rayon de Schwarzschild à ~118 milliards de kilomètres ou 790 UA soit plus de 6 fois le rayon de l'héliopause terrestre (~123 UA) et 20 fois la distance moyenne du Soleil à Pluton ! Un article consacré à ce trou noir supermassif fut publié dans l'"Astrophysical Journal" (en PDF sur arXiv) en 2019.

Holm 15A est une galaxie elliptique géante située à ~740 millions d'années-lumière au coeur de l'amas de galaxies Abell 85 qui rassemble plus de 500 galaxies et est enveloppé dans un halo d'énergie sombre.

Le trou noir le plus massif

Le coeur du quasar TON 618 situé à 10.4 milliards d'années-lumière (z=2.219) dans les Chiens de Chasse (CVn) abriterait un trou noir supermassif de 66 milliards de masses solaires ! C'est le record !

Illustration du trou noir supermassif TON 618 de 66 milliards de masses solaires, un record ! A cette échelle, le système solaire ne serait pas plus grand qu'un pixel. Document T.Lombry.

Le rayon de ce trou noir supermassif est estimé à 1300 UA, soit plus du double de la distance entre le Soleil et la limite extérieure de la Ceinture de Kuiper (~500 UA) !

TON 618 fut découvert lors d'un sondage consacré aux étoiles bleues très pâles (les naines blanches) au moyen de la chambre Schmidt de 70 cm de l'observatoire de Tonantzintla au Mexique et fut incorporé au catalogue Tonantzintla en 1957 mais à l'époque on ignorait encore la nature de cet astre.

Ce n'est qu'en 1970 que G.Colla et ses collègues détectèrent ses émissions radioélectriques et le classifièrent parmi les quasars. Puis, en 1976 Marie-Helene Ulrich de l'Université du Texas à Austin découvrit qu'il présentait des raies d'émissions qui permirent de déduire sa distance.

TON 618 est une galaxie présentant un noyau actif (AGN). L'AGN présente une magnitude visuelle de 15.9 (V) et une magnitude absolue de -30.7. Il brille avec une luminosité de 4x1044 W soit autant que 140 trillions de Soleil, en faisant l'objet le plus brillant du ciel !

Selon une étude spectroscopique portant sur 29 AGNs à haut redshift dont les résultats furent publiés en 2004 (cf. Ohad Shemmer et al.), les spectres de TON 618 présentent des raies d'émissions de nuages d'hydrogène relativement froids qui encerclent le trou noir central et se déplacent à 7000 km/s, ce qui a pour effet d'élargir les raies. C'est à partir de ces caractéristiques (dimension de la région émettant les raies larges et la vitesse du gaz froid) que l'équipe de Shemmer parvint à estimer la masse du trou noir supermassif.

Le trou noir le plus âgé

Nous avons évoqué plus haut le trou noir supermassif caché au coeur du quasar ULAS J112001.48+064124.3 qui est l'un des rares objets connus situé à z > 7 soit à 13.1 milliards d'années-lumière. Il est resté indétrôné jusqu'en 2017.

Dans un article publié en 2017 dans la revue "Nature", Eduardo Bañados des Observatoires de la Carnegie Institution des Sciences (OCIS) et son équipe déjà cités à propos de leurs études des quasars dans l'Univers primordial, ont annoncé la découverte d'un trou noir supermassif au coeur du quasar ULAS J1342+0928 situé dans la constellation du Bouvier. Analysé avec les plus grands télescopes (Magellan, VLT, LBT, Gemini), ce trou noir présente une masse équivalente à 800 millions de masses solaires et se situe à z = 7.54 soit plus de 13.1 milliards d'années-lumière. Il existait déjà lorsque l'Univers avait seulement 690 millions d'années soit 5% de son âge actuel.

Bien que les simulations ne soient pas toutes concordantes, ce trou noir évoluerait à l'époque de la réionisation bien que les raies d'émission Lyman alpha du quasar montrent que l'hydrogène présent dans le milieu interstellaire était déjà significativement neutre. Ce trou noir est le plus âgé découvert à ce jour.

Un modèle qui fait des émules

Avec autant d'observations, on ne peut plus évoquer des erreurs de mesures ou une propention à "voir des trous noirs partout", et moins encore quand on observe à chaque fois les mêmes phénomènes associés, des émissions X et gamma, des jets de matière, des lobes radios gigantesques et un disque d'accrétion.

Reste une question qui fache, tous ces phénomènes violents sont-ils réellement associés à des trous noirs ?

Jusqu'à la fin du XXe siècle, d’autres théories pouvaient encore récupérer ces indices à leur avantage et considérer qu’il n’existait pas de trou noir au centre des galaxies ni de trous noirs à l'échelle stellaire. Par son aspect conjectural, le trou noir est longtemps resté une entité théorique qui ne plaisait pas à tous les astrophysiciens, bien que les opposants étaient tous les jours moins nombreux.

A voir sur ce site : Illustrations

Représentations artisitiques de trous noirs et autres objets célestes

A gauche, le centre de la galaxie NGC 4438 située à 50 millions d'années-lumière dans l'amas de la Vierge. La bulle brillante au centre s'étend sur 800 années-lumière. Ce jet très suspect ne peut être émis que par un processus violent, différent de la nucléosynthèse et non thermique, typique de l'activité d'un trou noir supermassif comme le confirmèrent les astronomes en 2000. Au centre, grâce au Télescope Spatial Hubble, en 1998 un disque d'accrétion fut découvert dans la galaxie NGC 7052. Le disque mesure 3700 années-lumière de diamètre ! Sur base de sa vitesse de rotation, on estime qu'il abrite un trou noir de 300 millions de masses solaires entouré d'un disque de gaz et de poussières d'environ 3 millions de masses solaires. A droite, image optique de la petite galaxie Perseus-A, alias NGC 1275, contenant dix fois moins d'étoiles que la Voie Lactée. Le satellite Chandra a découvert qu'il s'agissait d'une puissante source de rayonnement X émis par des étoiles s'effondrant probablement sur un trou noir. Elle se situe à 320 millions d'années-lumière. Documents NSSDC/HST et Chandra/CXC.

Le rayonnement des galaxies à noyau actif et des autres objets y ressemblant peut s'expliquer par des processus naturels ne faisant pas appel aux trous noirs. Les théories avec trous noirs sont en faveur, mais sans preuves directes. Les modèles théoriques expliquant de nombreuses observations, il ne serait toutefois pas prudent de rejeter leur introduction dès lors que certains sont confirmés par l'observation du coeur de la Voie Lactée et des galaxies abritant les trous noirs les plus massifs.

Encore aujourd'hui, malgré les découvertes faites en ce domaine, la prudence qui est la règle en science impose à tous les astronomes de réserver leur jugement. Toutefois, à mesure que les observations s'accumulent, vu les énergies, les masses et l'ampleur des effets observés, il devient difficile de faire intervenir d'autres mécanismes que ceux associés à un trou noir.

De toute façon, comme le remarque humoristiquement le radioastronome François Biraud du CNRS dans une lettre qu'il m'adressa, "inutile de bouleverser la physique !!", partageant par cette boutade l’interprétation de la majorité des astronomes. Nous avons un concept et des théories, incomplètes, mais elles expliquent assez bien les propriétés des AGNs. Aucun autre modèle ne peut aujourd’hui prétendre expliquer l’ensemble de ces phénomènes de manière aussi simple qu'en faisant appel aux trous noirs.

Dernier chapitre

Les trous noirs primordiaux

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[18] Concernant les trous noirs extragalactiques lire, J.Henry, Astrophysical Journal Letters, 285, 1984, L27 - J.Kormendy, Astrophysical Journal, 325, 1988, p128 - A.Dressler et al., Astrophysical Journal, 353, 1990, p118 - M.Rees, Scientific American, Nov.1990, p26 - M.Miyoshi et al., Nature, 373, 1995, p127. Concernant Cygnus X-1 lire, T.Belloni et G.Hasinger, Astronomy and Astrophysics, 227, 1990, pL33 - K.Yoshida, PASJ, 45, 1993, p605 - B.Harmon et al., AIP Conf. Proc. 280, 1993 “First Compton GammaRay Observatory Symposium - F. van der Hooft et al., Astrophysical Journal, 458, 1996, pL75 - D.Crary et al., Astrophysical Journal, 462, 1996, pL71-L74. Consultez également l'actualité sur les sites de Chandra, XMM-Newton et NuSTAR parmi d'autres.

[19] Avant les années 2010, sur base de la mesure très difficile de sa parallaxe - même avec un réseau de radiotélescopes fonctionnant en interférométrie - , on situait Cygnus X-1 à environ 10000 années-lumière et la masse du trou noir déduite de sa période orbitale (cf. la 3e loi de Kepler) entre 7 et 10 M (cf. Mirabel et Rodrigues, 2003) mais ces valeurs furent revues en 2011 grâce au VLBA. La parallaxe de Cygnus X-1 vaut ‎0.539 ±0.033 mas ou ~0.000539". Le système se trouve à 1.86 kpc ou 6064 années-lumière et la masse du trou noir était estimée à 14.8 M. Cf. Chandra, M.J.Reid et al., 2011; L.Gou et al., 2011; J.A.Orosz, 2011. De nouvelles mesures publiées en 2021, lui donne une masse de 20 M (cf. ICRAR).


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