Notes sur la fin des étoiles en astronomie: le trou noir - observation, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez10 January 2014

Notes sur la fin des étoiles en astronomie: le trou noir - observation, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur la fin des étoiles en astronomie: le trou noir - observation. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Le trou noir, Le problème, Cygnus X-1, D'autres candidats.
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La fin des étoiles en astronomie : Trou

noir - Observation

Le trou noir est probablement l'astre le plus étrange que la physique ait révélé. La question

suivante est donc bien légitime : un tel objet existe-t-il vraiment ou bien ne s'agit-il que du

produit de l'imagination débridée des théoriciens ? Répondre à cette question pose une

difficulté de fond puisque, par définition, un trou noir est invisible car aucun rayonnement ne

peut en échapper. Il est par conséquent impossible d'obtenir une preuve définitive, par exemple

une photographie directe.

La solution va consister à essayer de détecter la présence d'un trou noir indirectement, par les

effets qu'il produit sur un autre corps. Comme nous l'avons vu, de très nombreuses étoiles ne

sont pas isolées, mais font partie de couples stellaires. Lorsque l'un des membres d'une binaire

est une naine blanche ou une étoile à neutrons, un transfert de masse peut se mettre en place

et produire des phénomènes comme les novae ou lessupernovae. Si l'une des étoiles est un trou

noir, des processus similaires peuvent se produire, de la masse est transférée, un disque

d'accrétion se forme, les températures atteignent des valeurs extrêmes et de grandes quantités

de rayons X sont émises. Ceci nous fournit un moyen de détecter de possibles trous noirs. Il

suffit tout simplement de trouver des sources de rayons X dans des étoiles binaires.

Le problème, évidemment, réside dans le fait que les étoiles à neutrons peuvent également

produire des rayons X en grand nombre. Il est donc crucial de pouvoir déterminer si une source

est bel et bien un trou noir. Un moyen simple pour cela est d'arriver à déterminer la masse du

corps qui émet les rayons X. En effet, l'étude théorique des étoiles à neutrons a montré que la

masse maximale possible était d'environ trois fois celle du Soleil. Ainsi, si une source de rayons

X se révèle posséder plus de trois masses solaires, il est légitime de penser qu'il ne s'agit pas

d'une étoile à neutrons, mais bien d'un trou noir.

Cygnus X-1

Le premier candidat fut découvert au début des années 1970 par le satellite Uhuru observant

dans les rayons X. Celui-ci détecta dans la constellation du Cygne une source très intense à

laquelle on donna le nom de Cygnus X-1. En plus de sa puissance, le rayonnement de cet objet

avait la particularité de présenter des variations extrêmement rapides, parfois en des temps de

quelques millisecondes.

Le trou noir présumé Cygnus X-1 observé en 2002 dans les rayons X par le satellite européen

Integral. Cygnus X-1 semble très isolé sur cette image car les étoiles proches sont toutes normales et

n'émettent pas dans ce domaine de longueur d'onde. Cygnus X-1 n'est pas un corps isolé mais fait

partie d'un système double avec une supergéante bleue appelée HDE 226868. C'est le gaz arraché de

cette supergéante qui émet des rayons X en allant se perdre dans le trou noir. Crédit : ESA/JEM-X/ECF

Ces fluctuations très rapides montraient que la source devait être très petite. En effet, pour

qu'un processus fasse varier la luminosité d'un corps de façon notable, il doit affecter l'objet

globalement. Ceci signifie qu'il y a nécessairement un échange d'information entre toutes les

parties du corps. Or, ces échanges ne se font pas instantanément, mais au mieux à la vitesse de

la lumière, comme nous l'apprend la relativité. Si la lumière met une année pour traverser un

corps, celui-ci ne peut pas présenter des variations notables à l'échelle d'une journée. Ainsi, les

fluctuations très rapides de l'intensité de Cygnus X-1 prouvaient que cet objet devait être très

petit, avec une taille de l'ordre de quelques centaines de kilomètres.

Mais les observations X ne permirent pas de déterminer précisément la position de Cygnus X-1.

Il fallut attendre 1972 pour que les radioastronomes y parviennent. Il apparut alors que la

source Cygnus X-1 devait être liée, d'une façon ou d'une autre, à une étoile normale située à 6

000 années-lumière, HDE226868, qui ne pouvait pas être elle-même la source des rayons X.

L'analyse spectrale de l'étoile révéla un va-et-vient périodique des raies de l'étoile, qui montrait

qu'elle devait être en orbite autour d'un autre objet. La conclusion était simple. HDE226868

avait un compagnon, Cygnus X-1, trop peu lumineux pour être observable dans le visible, mais

qui attirait la matière de l'étoile et était en conséquence une source de rayons X.

Ce compagnon était-il un trou noir ou une étoile à neutrons ? Grâce à la relation

entre masse et luminosité des étoiles, les astrophysiciens savaient que l'étoile HDE226868, de

type B, possédait 30 masses solaires. Ils connaissaient également, grâce à l'analyse

du déplacement des raies, le mouvement de cette étoile. A partir de ces données, ils étaient en

mesure de déterminer la masse requise pour faire effectuer à une étoile de 30 masses solaires

un tel mouvement. Le résultat était que Cygnus X-1 devait être un corps d'environ 10 masses

solaires, ce qui était clairement au-dessus de la masse limite pour les étoiles à neutrons.

Cygnus X-1 est donc très probablement un trou noir. Sa masse, sa petite taille et la puissance

de son rayonnement X semblent le montrer. Il faut noter cependant que cela n'est pas

absolument sûr. Il reste des incertitudes dans le calcul de la masse de l'objet. Si le monde est

vraiment mal fait et si toutes les erreurs vont dans le même sens, il se peut que Cygnus X-1

n'ait que trois masses solaires et soit donc simplement une étoile à neutrons. Cela est

néanmoins très improbable.

D'autres candidats

Depuis Cygnus X-1, d'autres candidats au titre de trou noir ont été découverts. Ils présentent

tous les mêmes caractéristiques, des émissions X intenses, rapidement variables, et une masse

supérieure à trois fois celle du Soleil. On peut citer par exemple A0620-00 dans la constellation

de la Licorne, LMC X-1 et LMC X-3 dans le Grand Nuage de Magellan ou V404 Cygni dans la

constellation du Cygne. Ce dernier exemple est probablement le plus convaincant, puisque la

masse minimale de l'objet, en tenant compte de toutes les incertitudes, est de six masses

solaires, soit deux fois la masse maximale des étoiles à neutrons.

Enfin, nous verrons plus tard qu'il existe une autre forme de trous noirs, une version beaucoup

plus massive que l'on retrouve au centre des galaxies et qui peut atteindre plusieurs milliards

de masses solaires. Des observations de nature différente ont établi avec une quasi-certitude

l'existence de ces trous noirs supermassifs. Ce résultat est évidemment un argument de plus en

faveur de la possibilité de trous noirs formés à partir de résidus d'étoiles.

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