Un trou noir de masse moyenne est le chaînon manquant entre les trous noirs de la taille d'une étoile et les géants supermassifs.
Au centre de presque toutes les grandes galaxies se trouve un trou noir supermassif. Ces titans, des milliards de fois la masse du Soleil, influencent l'évolution des galaxies dans le cœur desquelles ils se trouvent.
Cependant, les astronomes ne peuvent pas comprendre comment ils ont atteint des proportions aussi énormes. Certains d'entre eux semblent s'être formés à peine 600 millions d'années après le Big Bang.alors que l'univers n'avait que 4% de son âge actuel. Du point de vue de la façon dont nous comprenons le processus de croissance des trous noirs, cela semble impossible. «Il n'y aurait tout simplement pas assez de temps pour créer un trou noir aussi massif si tôt», déclare Lukasz Wyrzykowski, astronome à l'Université de Varsovie. «Autrement dit, sans quelque chose à partir duquel ils pourraient grandir», précise-t-il.
On pense que ces «graines» sont des trous noirs de masse moyenne - des trous noirs géants, le chaînon manquant entre les trous noirs de masse stellaire formés par la mort des étoiles et les trous noirs supermassifs. Les trous noirs de masse moyenne devraient peser entre 100 et 100 000 masses solaires, et selon les scientifiques, ils représentent une étape critique dans la croissance des monstres au centre des galaxies.
Le principal problème est qu'ils sont difficiles à détecter. "Les trous noirs n'émettent rien", a déclaré Daniel Holtz , astrophysicien à l'Université de Chicago. "Ils sont donc très difficiles à trouver."
Les astronomes ont déjà identifié plusieurs candidats potentiels pour le titre de «trou noir de masse moyenne». L'année dernière, avec le télescope spatial Hubble, ils ont découvert un trou noir de 50 000 masses solaires engloutissant une étoile ; autre candidat 20 000 fois plus lourd que le Soleil, HLX-1 semble faire de même .
Les chercheurs affirment que grâce à la nouvelle méthode, ils ont trouvé un trou noir pesant jusqu'à 55 000 solaires. Un article sur cette découverte a été récemment publié dans la revue Nature Astronomy , il présente également une stratégie de recherche qui aidera à trouver de nombreux autres trous noirs similaires à l'avenir.
L'étude a été dirigée par James Painter , étudiant au doctorat à l'Université de Melbourne. En 2018, la conseillère scientifique et co-auteur de Painter, Rachel Webster, lui a demandé d'analyser environ 2700 sursauts gamma (sursauts lumineux d'énergie qui seraient le résultat de fusions d'étoiles à neutrons ou de supernovae géantes) collectés par l'observatoire Compton Gamma de la NASA. (Observatoire anglais Compton Gamma Ray, CGRO) entre 1991 et 2000.
Il cherchait des paires de GRB presque identiques, se succédant avec une courte pause. Un double flash peut indiquer que le sursaut gamma est "lentille" par un objet entre lui et nous. Un objet aussi massif, pliant la lumière de l'explosion sur son chemin vers la Terre, pourrait être un trou noir de masse moyenne.
Dans l'ensemble de données de 2700 GRB, le logiciel automatisé de Painter n'a isolé qu'un seul cas. En 1995, l'Observatoire de Compton a enregistré une rafale d'un présumé sursaut gamma survenu alors que l'univers avait environ 3 milliards d'années. Une demi-seconde plus tard, une rafale presque identique a été enregistrée.
L'équipe a conclu qu'il existe un trou noir de masse moyenne entre la Terre et le GRB. Le sursaut gamma n'était pas situé exactement au centre du trou noir, de sorte que sa lumière a voyagé le long de deux chemins différents, dont l'un était légèrement plus long. «La lentille affecte la trajectoire de deux photons voyageant le long des« bords »opposés du trou noir», explique le co-auteur Eric Train , astrophysicien à l'Université Monash. "C'est pourquoi nous voyons un flash avant un autre."
Trou noir comme lentille: Un trou noir de masse moyenne pourrait déformer l'apprentissage d'un sursaut de rayons gamma éloigné. La lumière voyageant le long de deux chemins atteindra la Terre à des moments différents, elle ressemblera donc à deux éclairs.
Mais cette explication n'a pas convaincu tout le monde. D'après Natalie Webb, astrophysicien de l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie de France, une des difficultés est qu'on ne sait pas combien de trous noirs de masse moyenne il y a dans l'univers. Quelle chance devrions-nous avoir d'avoir un tel trou exactement entre notre planète et le GRB? "Selon les calculs de certaines personnes, il y a un grand nombre de tels trous, 1000 par galaxie, auquel cas quelque chose comme ça pourrait arriver", dit Webb. "S'ils se rencontraient moins souvent, alors oui, ce serait moins probable."
Un autre problème est que nous ne savons pas assez sur les GRB eux-mêmes - peut-être que les fusées éclairantes apparaissent deux fois naturellement, plutôt que du fait de la lentille. «Ils sont tous tellement différents et bizarres», dit Holtz. "La question principale ici est: pourrait-il être juste un double GRB?" La lentille pourrait également avoir été causée par un amas d'étoiles globulaires (un grand amas d'étoiles anciennes avec une forme sphérique symétrique), mais l'équipe pense que c'est peu probable, car les amas globulaires sont 100 fois moins courants que les trous noirs de masse intermédiaire. «Les chances que le cluster soit au bon endroit sont minces», déclare Train.
Ces flambées particulières ont été découvertes il y a plus de deux décennies, nous ne le saurons donc probablement jamais avec certitude. Une perspective plus excitante est que la méthode décrite - la recherche de trous noirs de masse moyenne qui agissent comme des lentilles - nous aidera à faire encore plus de découvertes à l'avenir.
«Révéler des populations de trous noirs de masse intermédiaire à l'aide de lentilles est amusant», dit Holtz. Vyrzhikovsky a utilisé les données du télescope GAIA pour rechercher des trous noirs de masse moyenne qui plient la lumière des étoiles, pas des sursauts gamma, mais il n'a pas encore de quoi se vanter.
Les trous noirs de masse moyenne pourraient non seulement expliquer la croissance des trous noirs supermassifs, mais aussi fournir la preuve d'un autre mystère du cosmos - matière noire . La matière noire, qui, selon les scientifiques, représente 85% de la masse de l'univers, a peut-être elle-même été l'ingrédient le plus important pour alimenter la croissance des trous noirs de masse intermédiaire. «Il est très difficile de créer un tel trou noir à partir de matière ordinaire», dit Vyrzhikovsky. "Il faut beaucoup d'étoiles pour fusionner, et il n'y avait pas assez de temps dans le [premier] univers pour cela."
Les nouveaux télescopes devraient aider à la chasse aux trous noirs insaisissables de masse moyenne. Selon Painter, le potentiel des données de l'Observatoire Compton d'il y a dix ans a déjà été épuisé, mais environ 7 000 sursauts gamma supplémentaires provenant d'autres télescopes peuvent être analysés. De plus, le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA continue de les détecter aujourd'hui. «Il est temps d'analyser d'autres ensembles de données à la recherche de nouveaux cas de lentilles», a déclaré Painter.
Beaucoup espèrent que le mystère des mystérieux trous noirs de masse intermédiaire, et avec lui la croissance des trous noirs supermassifs, sera bientôt résolu, quelle que soit la méthode. «Tout le monde le croit», dit Train. - Ils doivent certainement exister quelque part dans l'Univers. Vous avez juste besoin de trouver exactement où. "