Détection d'un trou noir stellaire de 33 masses solaires par astrométrie avec Gaia

La mission Gaia vient de débusquer son troisième trou noir vraiment noir, détecté uniquement en observant le mouvement orbital d'une étoile autour de... rien. Et ce n'est pas un petit trou noir stellaire comme on a l'habitude d'en rencontrer dans notre galaxie, celui-là, Gaia BH3, est trois fois plus massif que les trous noirs moyens, avec presque 33 masses solaires. De quoi questionner sérieusement son origine. L'étude est publiée dans Astronomy and Astrophysics.

Le télescope Gaia nous a déjà permis d’observer la position et le mouvement de milliards d'étoiles de notre galaxie, ainsi que dévoiler les sous-structures de la Voie Lactée. Mais il permet aussi de détecter des trous noirs stellaires qui n'accrètent pas de matière et sont donc complètement invisibles. Mais ils peuvent être décelé si ils sont en couple avec une autre étoile, en mesurant avec précision comment bouge cette étoile. A partir des paramètres orbitaux de l'étoile et de ses caractéristiques, il est alors possible de remonter à la masse du trou noir autour duquel elle tourne. 

Gaia avait déjà trouvé ainsi deux trous noirs stellaires dits "dormants", car n'accrétant pas de matière : Gaia BH1 et BH2, en 2022 et en 2023. Cette fois, la découverte a été obtenue en utilisant les données astrométriques préliminaires du quatrième jeu de données de Gaia, le DR4. Ce troisième spécimen se situe à 590 parsecs (1923 années-lumière). L'étoile qui a permis sa découverte indirecte est une très vielle étoile, très pauvre en métaux qui a une masse de 0,76 ± 0,05 M⊙. 

BH3 est aujourd'hui le trou noir stellaire le plus massif jamais découvert dans la Voie lactée. Les seuls trous noirs stellaires de plus de 30 masses solaires qui ont été identifiés l'ont été via des fusions générant des ondes gravitationnelles et ce dans des galaxies très lointaines. Jusqu'à aujourd'hui le trou noir stellaire le plus massif de la galaxie était aussi celui qui avait été identifié le premier dans les années 1970 : Cygnus X-1, qui arbore une belle masse de 20 masses solaires, comme l'ont mesuré Miller-Jones et al. en 2021.  

L'étoile et le trou noir ont une période orbitale d'un peu plus de onze ans. L'orbite excentrique de l'étoile la fait passer, au plus près, à environ 4,5 unités astronomiques du trou noir, environ la distance entre Jupiter et le Soleil. Et au plus loin, elle s'éloigne à 29 unités astronomiques, ce qui équivaut à l'orbite de Neptune. Mais ces passages rapprochés sont insuffisant pour un transfert de masse qui pourrait produire un disque d'accrétion qui en s'échauffant rayonnerait des rayons X.

Pour expliquer la masse exceptionnelle de BH3, les chercheurs évoquent le fait que son étoile progénitrice pourrait être une étoile de population II, très très pauvre en métaux et qui aurait donc pu être très massive, la condition sine qua non pour produire un trou noir de a 32,70 ± 0,82 M⊙ masses solaires. Cette idée est renforcée par le fait que l'étoile compagne est une étoile elle-même très pauvre en métaux, probablement semblable à celle qui a donné naissance au trou noir. En effet, le manque de métaux diminue considérablement la perte de masse pendant la vie stellaire (comme l'avait montré Vink en 2008) et réduit le rayon des progénitrices en évolution (Hurley et al. 2000 ; Belczynski et al. 2010), ce qui a pour effet de diminuer la probabilité de fusionner pendant la phase d'enveloppe commune dans les systèmes binaires. Et puis, il a également été montré que la masse plus élevée des trous noirs ainsi produits devrait diminuer substantiellement ou éliminer la force de l'impulsion à la naissance du trou noir, ce qui permet de préserver la binaire comme un système lié. 

 

Mais on ne peut pas 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 lointaines. Les astrophysiciens précisent que cette probabilité toutefois assez faible pour BH3. Plusieurs indices indiquent que ce serait bien un trou noir formé par l'effondrement d'une seule étoile massive.  Le principal est la présence de l'étoile compagne très pauvre en éléments lourds. Ces étoiles, d’une génération antérieure à celle du Soleil, ne représentent qu'environ 1 % des étoiles de la Voie lactée.

Et il y a aussi d'autres hypothèses qui ne peuvent pas encore être complètement exclues. La masse estimée d'environ 33 masses solaires est trop importante pour une étoile à neutrons ou deux étoiles à neutrons en orbite proche mais, selon les chercheurs, il pourrait encore s'agir d'une binaire interne contenant deux trous noirs et non un unique trou noir, ou bien un trou noir quasi aussi gros et accompagné d'une étoile à neutrons (qui ferait de toute façon 2 masses solaires au maximum). 

Point intéressant, le couple BH3 se meut en contresens dans le disque galactique. Le couple appartient à une structure nommée ED-2, qui a récemment été découverte par Gaia, et qui semble issu des restes d'un amas globulaire capturé puis déchiré par notre galaxie il y a plusieurs milliards d'années.

Dans leur conclusion, les chercheurs de la collaboration Gaia rappellent que les deux premiers trous noirs dormants découverts par Gaia sur des orbites astrométriques larges ont des masses d'environ 10 M⊙. La masse de Gaia BH3 le place dans la gamme de masse des trous noirs découverts par les ondes gravitationnelles et, en fait, elle est proche du pic de la distribution de masse observée pour les trous noirs en fusion. La métallicité du système soutient le scénario selon lequel les trous noirs de masse élevée observés par LIGO/Virgo/KAGRA sont les restes d'étoiles pauvres en métaux. Le système découvert, avec son rapport de masse extrêmement faible (32,7 masses solaires pour le trou noir et moins de 1 masse solaire pour l'étoile), son orbite large et sa composition chimique spécifique, peut également fournir des contraintes pour l'évolution stellaire et les modèles binaires.

Comme dans le cas des systèmes Gaia BH1 et BH2, le scénario de formation d'une binaire isolée semble peu probable et d'autres scénarios doivent être envisagés. Les trous noirs découverts par Gaia dans des binaires larges dans notre galaxie et celles détectées par LIGO/Virgo/KAGRA dans des galaxies externes (c'est-à-dire des événements de fusion de trous noirs dans des binaires à très courte période) constituent les deux extrémités de la population de trous noirs. Lorsqu'ils sont étudiés ensemble, ils peuvent aider à formuler une vision globale de la formation des trous noirs et de l'évolution de leurs étoiles progénitrices. Enfin, la distance relativement faible de BH3 en font une cible facile pour des observations ultérieures et des analyses détaillées par la communauté astronomique. Cette découverte issue du catalogue Gaia DR4 indique qu'il promet de révéler sans aucun doute de nombreux autres systèmes binaires hébergeant un trou noir stellaire massif ou pas. 

Source

Discovery of a dormant 33 solar-mass black hole in pre-release Gaia astrometry

Gaia Collaboration

Astronomy&Astrophysics (11 april 2024)

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202449763

Illustrations 

1. Positions des trois trous noirs stellaires identifiés avec Gaia (ESA)

2. Orbite et vitesse radiale de l'étoile compagne de BH3 (Gaia Collaboration)

3. Vue d'artiste d'un trou noir dormant dans une binaire (ESO/L. Calçada)