Gaia BH3 : le trou noir qui ne devrait pas exister

Un système binaire contenant le trou noir le plus massif de la Voie lactée après SgrA* vient d’être découvert. Un objet extrêmement rare qui questionne les modèles de formation de ces astres. Le satellite Gaia nous avait jusqu’ici permis d’observer la position et le mouvement des étoiles, percer à jour les sous-structures de la galaxie ou encore trouver de nouvelles exoplanètes... Mais il permet aussi, plus rarement, de détecter des trous noirs. Seuls deux de ces astres compacts avaient été découverts grâce aux données d’astrométrie en 2022, et c’est désormais un troisième qui fait l’objet d’une publication dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Un système binaire situé à 2000 années-lumière

Ce système binaire composé d’un trou noir (baptisé Gaia BH3) et d’une étoile très pauvre en métal (donc très ancienne) est situé à 2 000 années-lumière de la Terre, dans le halo galactique. Gaia BH3 affiche une masse 33 fois supérieure à celle du Soleil. « C’est le trou noir stellaire le plus massif jamais découvert dans notre Voie lactée, affirme Pasquale Panuzzo 1 , responsable adjoint des données spectroscopiques au sein de la collaboration Gaia. Jamais un trou noir de cette taille n’avait été détecté, si ce n’est dans des galaxies lointaines, à l’aide des observatoires gravitationnels Ligo-Virgo. »

Gaia ne peut pas détecter directement les trous noirs qui n’émettent pas de lumière. En revanche, il parvient à mesurer la distance des astres et leur trajectoire dans l’espace. Il lui est donc possible de repérer de petites perturbations dans les trajectoires des étoiles. « Nous sommes capables de déterminer si une étoile est simple ou si elle a un compagnon à partir de ces perturbations, détaille Frédéric Arenou 2 , de la collaboration Gaia, en charge du traitement des étoiles binaires. Nous pensons que la moitié des étoiles de notre galaxie réside dans un système binaire ou multiple. » Habituellement, toute cette collecte de données est publiée en une seule fois, à l’occasion du dévoilement du catalogue Gaia. Le dernier en date, DR3, a été rendu public en juin 2022, et il faudra attendre fin 2025 pour le suivant. Mais cette fois, les scientifiques ont fait une exception devant l’importance de la découverte.

Les variations de position et de vitesse radiale d’une étoile située dans la constellation de l’Aigle ont permis de démontrer la présence d’un objet extrêmement massif qui n’émet pas de lumière : le trou noir Gaia BH3. Les deux astres dessinent un ballet où chaque révolution dure un peu plus de onze années. Durant ce parcours, l’orbite excentrique de l’étoile la fait passer, au plus près, à environ 4,5 unités astronomiques du trou noir, soit la distance entre Jupiter et le Soleil. Et au plus loin, elle part à 29 unités astronomiques, ce qui équivaut à l’orbite de Neptune.

Un trou noir beaucoup trop massif

Gaia BH3 présente une particularité : il s’agit d’un trou noir dormant. C’est-à-dire qu’il est trop loin de son étoile pour pouvoir lui arracher de la matière, ce qui se traduirait par une émission de rayons X qui aurait permis de le détecter directement auparavant.

Ensuite, grâce aux mesures de Gaia, il est possible de déterminer sa masse avec une grande précision. Et c’est là que les surprises commencent : « Nous pensions que des trous noirs stellaires de cette taille ne pouvaient pas exister, raconte Pasquale Panuzzo. Les modèles établissent qu’ils ne peuvent pas dépasser les 20 masses solaires environ. » En effet, à la différence des trous noirs supermassifs comme SgrA*, situés au centre des galaxies, dont on ne connaît toujours pas l’origine, un trou noir de ce type est censé naître de l’effondrement d’une étoile massive. On sait néanmoins que durant leur évolution, ces étoiles, dites « progénitrices », expulsent une grande partie de leur matière via des vents stellaires, ce qui normalement devrait limiter la masse maximale finale des trous noirs issus de leur effondrement. Avec l’équivalent de la masse de 33 soleils, BH3 bat largement le précédent record détenu par Cyg X-1 qui ne pesait « que » 20 masses solaires. Dès lors, comment celui-ci a-t-il pu voir le jour ?

Une explication tiendrait à la composition de l’étoile progénitrice de BH3. Les chercheurs pensent que les étoiles pauvres en métaux, formées bien plus tôt dans l’histoire de l’Univers que les étoiles comme le Soleil, auraient tendance à former des trous noirs bien plus massifs que les étoiles nées plus récemment et enrichies en éléments plus lourds que l’hélium ou l’hydrogène. Or, Gaia BH3 a pour compagnon une étoile elle-même très pauvre en métaux, probablement semblable à celle qui a donné naissance au trou noir. « Toute une série d’indices mène à cette conclusion, résume Pasquale Panuzzo. Pour la première fois, nous avons une confirmation que ces trous noirs massifs, déjà observés par les ondes gravitationnelles, proviennent d’étoiles pauvres en métaux. »

Une licorne cosmique ?

Peut-on toutefois exclure totalement l’hypothèse que Gaia BH3 soit en fait le résultat d’une fusion entre deux trous noirs plus petits - Les observatoires gravitationnels Ligo-Virgo-Karga ont en effet permis de détecter plusieurs événements de ce genre depuis 2015, impliquant des fusions de trous noirs bien plus massifs dans des galaxies bien plus lointaines. « C’est une possibilité, mais dont la probabilité est faible, reconnaît Pasquale Panuzzo. Nous ne pouvons pas trancher définitivement, mais plusieurs indices indiquent que c’est bien un trou noir formé par l’effondrement d’une seule étoile massive. » Parmi ces indices, le principal est la présence de ce compagnon très pauvre en éléments plus lourds que l’hélium. Ces étoiles, d’une génération antérieure à notre Soleil, ne représentent qu’environ 1 % des étoiles de notre Voie lactée.

Et comme si cela ne suffisait pas, les mesures de Gaia ont aussi mis en lumière un autre phénomène : ce couple se déplace à contre-sens ! Gaia BH3 et l’étoile qui l’accompagne orbitent dans une direction inverse au courant des étoiles du disque galactique. En fait, le couple appartient à une structure nommée ED-2, récemment découverte par Gaia, qui semble issue des restes d’un amas globulaire capturé puis déchiré par notre galaxie. « C’est véritablement une licorne ! Ça ne ressemble à rien de ce que nous connaissons, assure Pasquale Panuzzo. Nous avons eu de la chance de la trouver. » Gaia donne ainsi l’occasion d’étudier ces trous noirs si difficiles à trouver dans notre galaxie. « L’avantage, c’est que ce sont des données solides, affirme Frédéric Arenou. Nous avons voulu les publier rapidement pour que la communauté puisse s’en emparer car nous sommes sûrs de cette orbite ! »

Par ailleurs, Gaia BH3 étant relativement proche de nous, ses bouffées ponctuelles d’activité devrait pouvoir être observées directement via les télescopes à rayons X ou à ondes radio. « L’autre avantage, poursuit Frédéric Arenou, c’est que contrairement aux trous noirs coalescents détectés via les ondes gravitationnelles, nous avons un objet que nous pouvons suivre sur le long terme pour comprendre son origine. C’est une grande chance d’avoir accès à ce trou noir. » La balle est donc désormais dans le camp des théoriciens, qui vont pouvoir comparer cette découverte à leurs modèles et ainsi mieux comprendre la manière dont se forment des trous noirs stellaires aussi massifs. ?


1. Laboratoire Galaxies, étoiles, physique, instrumentation (Gepi), unité CNRS/Observatoire de Paris-PSL.