Des astronomes observent une étoile disparaître et se transformer en trou noir

Des astronomes ont observé une étoile mourante qui n’a pas explosé en supernova, mais s’est effondrée en un trou noir. Cette observation remarquable constitue le compte rendu observationnel le plus complet jamais réalisé de la transformation d’une étoile en trou noir, permettant aux astronomes de construire une image physique complète du processus.

En combinant les observations récentes de l’étoile avec plus d’une décennie de données d’archives, les astronomes ont confirmé et affiné les modèles théoriques sur la manière dont ces étoiles massives se transforment en trous noirs. L’équipe a découvert que l’étoile n’a pas explosé en supernova à la fin de sa vie ; au lieu de cela, le noyau de l’étoile s’est effondré en un trou noir, expulsant lentement ses couches externes turbulentes au cours du processus.

Les résultats, publiés le 12 février dans Science, suscitent déjà l’enthousiasme en offrant un rare aperçu des origines mystérieuses des trous noirs. Cette découverte aidera à expliquer pourquoi certaines étoiles massives se transforment en trous noirs à leur mort, tandis que d’autres non.

« C’est seulement le début de l’histoire », explique Kishalay De, chercheur associé à la Flatiron Institute de la Simons Foundation et auteur principal de la nouvelle étude. La lumière provenant des débris poussiéreux entourant le nouveau trou noir, dit-il, « sera visible pendant des décennies au niveau de sensibilité de télescopes comme le James Webb Space Telescope, car elle continuera à s’affaiblir très lentement. Et cela pourrait devenir une référence pour comprendre comment les trous noirs stellaires se forment dans l’univers. »

L’étoile maintenant décédée, appelée M31-2014-DS1, se trouve à environ 2,5 millions d’années-lumière de la Terre dans la galaxie voisine d’Andromède. De et ses collaborateurs ont analysé les mesures de l’étoile provenant du projet NEOWISE de la NASA et d’autres télescopes au sol et spatiaux sur une période allant de 2005 à 2023. Ils ont découvert que la lumière infrarouge de M31-2014-DS1 a commencé à s’intensifier en 2014. Puis en 2016, l’étoile s’est rapidement assombrie, bien en dessous de sa luminosité d’origine, en à peine un an.

Les observations en 2022 et 2023 ont montré que l’étoile a essentiellement disparu dans la lumière visible et le proche infrarouge, devenant dix mille fois moins brillante à ces longueurs d’onde. Son reste n’est maintenant détectable qu’en lumière infrarouge moyen, où il brille à seulement un dixième de sa luminosité précédente.

De déclare : « Cette étoile était autrefois l’une des étoiles les plus lumineuses de la galaxie d’Andromède, et maintenant elle était introuvable. Imaginez si l’étoile Bételgeuse disparaissait soudainement. Tout le monde perdrait la tête ! La même chose s’est produite avec cette étoile dans la galaxie d’Andromède. »

En comparant ces observations avec les prédictions théoriques, les chercheurs ont conclu que l’affaiblissement dramatique de l’étoile à une si petite fraction de sa luminosité totale d’origine fournit une preuve solide que son noyau s’est effondré et est devenu un trou noir.

Les étoiles fusionnent l’hydrogène en hélium dans leur noyau, et ce processus génère une pression vers l’extérieur pour équilibrer l’attraction incessante vers l’intérieur de la gravité. Lorsqu’une étoile massive environ 10 fois plus lourde que notre soleil commence à manquer de carburant, l’équilibre entre les forces intérieures et extérieures est rompu. La gravité commence à effondrer l’étoile, et son noyau succombe en premier pour former une étoile à neutrons dense au centre.

Souvent, l’émission de neutrinos dans ce processus génère une onde de choc puissante qui est assez explosive pour déchirer la majeure partie du noyau et des couches externes dans une supernova. Cependant, si l’onde de choc alimentée par les neutrinos ne parvient pas à expulser la matière stellaire, la théorie suggère depuis longtemps que la majeure partie de la matière stellaire retomberait dans l’étoile à neutrons, formant un trou noir.

« Nous savons depuis presque 50 ans que les trous noirs existent », affirme De, « pourtant nous effleurons à peine la surface de la compréhension de quelles étoiles se transforment en trous noirs et comment elles le font. »

Les observations et l’analyse de M31-2014-DS1 ont permis à l’équipe de réinterpréter les observations d’une étoile similaire, NGC 6946-BH1. Cela a conduit à une percée importante dans la compréhension de ce qui était arrivé aux couches externes qui avaient enveloppé l’étoile après qu’elle ait échoué à devenir une supernova et se soit effondrée en un trou noir. L’élément négligé ? La convection.

La convection est un sous-produit des vastes différences de température à l’intérieur de l’étoile. La matière près du centre de l’étoile est extrêmement chaude, tandis que les régions externes sont beaucoup plus froides. Cette différence provoque le déplacement des gaz de l’étoile des régions plus chaudes vers les régions plus froides.

Lorsque le noyau de l’étoile s’effondre, le gaz dans ses couches externes se déplace encore rapidement en raison de cette convection. Les modèles théoriques développés par les astronomes du Flatiron Institute ont montré que cela empêche la plupart des couches externes de tomber directement ; au lieu de cela, les couches les plus internes orbitent à l’extérieur du trou noir et entraînent l’éjection des couches les plus externes de la région convective.

La matière éjectée refroidit en s’éloignant de la matière chaude autour du trou noir. Cette matière froide forme facilement de la poussière lorsque les atomes et les molécules se combinent. La poussière obscurcit le gaz chaud en orbite autour du trou noir, réchauffant la poussière et produisant un éclat observable dans les longueurs d’onde infrarouges. Cette lueur rouge persistante est visible pendant des décennies après la disparition de l’étoile elle-même.

La co-auteure et chercheuse du Flatiron Institute, Andrea Antoni, avait précédemment développé les prédictions théoriques pour ces modèles de convection. Avec les preuves observationnelles frappantes de M31-2014-DS1, elle déclare : « le taux d’accrétion — le taux de matière tombant — est beaucoup plus lent que si l’étoile implosait directement. Cette matière convective a un moment angulaire, donc elle se circularise autour du trou noir. Au lieu de prendre des mois ou un an pour tomber, cela prend des décennies. Et à cause de tout cela, cela devient une source plus brillante qu’elle ne le serait autrement, et nous observons un long délai dans l’assombrissement de l’étoile d’origine. »

Similaire à l’eau tourbillonnant autour d’un drain de baignoire plutôt que de s’écouler directement, le gaz en mouvement autour de ce trou noir nouvellement formé continue dans son orbite chaotique même s’il est lentement attiré vers l’intérieur. Ainsi, l’arrêt de la chute généré par la convection empêche l’étoile entière de s’effondrer directement dans le nouveau trou noir. Au lieu de cela, les chercheurs proposent que même après l’implosion rapide du noyau, une partie de la matière qui s’écoule tombe lentement en retour sur plusieurs décennies.

Seulement environ un pour cent du gaz de l’enveloppe stellaire d’origine tombe dans le trou noir, alimentant la lumière qui en émane aujourd’hui, estiment les chercheurs.

En analysant les observations de M31-2014-DS1, De et son équipe ont également réévalué une étoile similaire, NGC 6946-BH1, catégorisée il y a 10 ans. Dans le nouvel article, ils présentent des preuves frappantes expliquant pourquoi cette étoile a suivi un schéma similaire. M31-2014-DS1 était initialement considérée comme une « anomalie », explique De, mais il apparaît maintenant qu’elle n’est qu’un membre d’une classe d’objets — incluant NGC 6946-BH1.

« C’est seulement avec ces joyaux individuels de découverte que nous commençons à assembler une image comme celle-ci », souligne De.

Article : Disappearance of a massive star in the Andromeda Galaxy due to formation of a black hole – Journal : Science – DOI : Lien vers l’étude

Source : Simons foundation