Dans la constellation du Cygne, à quelque 7 800 années-lumière de la Terre, se cache une véritable bizarrerie spatiale. Là, un trou noir dans un système nommé V404 Cygni à plusieurs reprises s’engage dans comportement qui a simultanément des scientifiques déconcertés et ravis.
Aujourd’hui, elle a sorti une toute nouvelle astuce de son arsenal apparemment infini : un compagnon binaire invisible, une étoile sur une large orbite d’environ 70 000 ans.
Puisque V404 Cygni a déjà un compagnon – une étoile sur une orbite proche de 6,5 jours, dont le trou noir central se régale tranquillement – le troisième objet nouvellement découvert fait du système un système trinaire.
C’est la première fois que nous voyons un système avec cette configuration, et cela pourrait donner un aperçu de la façon dont trous noirs formulaire. En effet, une explosion de supernova, considérée comme le mécanisme par lequel se forment les trous noirs de masse stellaire, aurait dû rompre le lien gravitationnel ténu d’une large orbite.
« Nous pensons que la plupart des trous noirs se forment à partir de violentes explosions d’étoiles, mais cette découverte contribue à remettre cela en question », dit le physicien Kevin Burge du Massachusetts Institute of Technology.
« Ce système est extrêmement excitant pour l’évolution des trous noirs, et il soulève également la question de savoir s’il existe davantage de triples. »
En fait, nous connaissons la deuxième étoile depuis des décennies ; les astronomes pensaient qu’il s’agissait simplement d’une étoile proche de V404 Cygni, ce qui serait relativement banal.
Mais les données recueillies par la mission Gaia de l’Agence spatiale européenne ont révélé qu’il se passe certainement plus de choses là-bas que nous le pensions. Gaia cartographie les positions tridimensionnelles des objets dans la Voie Lactée ; mais il s’agit également de cartographier leur direction et leur vitesse lorsqu’ils se déplacent dans l’espace.
V404 Cygni et l’étoile apparemment sans rapport se déplacent dans l’espace dans la même direction et à la même vitesse. Cela montre que les objets sont liés.
« Ce n’est certainement pas une coïncidence ou un accident », Burge dit. « Nous voyons deux étoiles qui se suivent parce qu’elles sont attachées par cette faible chaîne de gravité. Il doit donc s’agir d’un système triple. »
Il existe des preuves du modèle de supernova de formation de trous noirs. C’est à ce moment-là qu’une étoile mourante éclate dans une explosion colossale, éjectant sa matière externe, tandis que le noyau de l’étoile s’effondre sous l’effet de la gravité pour former un trou noir, l’objet le plus dense de l’Univers.
Les scientifiques ont observé des supernovae et démêlé la lumière pour évaluer la masse de l’objet au cœur et en déduire la production d’un trou noir. Mais cela ne signifie pas qu’une supernova soit le seul mécanisme de formation. Une autre option est le modèle d’effondrement direct. Ici, l’étoile massive implose simplement complètement dans un trou noir, sans gâchis, sans chichi.
Ici, les preuves sont un peu plus difficiles à obtenir. Sans gâchis ni chichi, il y a pratiquement une absence de preuves.
C’est là que V404 Cygni devient soudainement très intéressant – car lorsqu’une explosion de supernova est asymétrique, ce qui est souvent le cas, le déséquilibre énergétique peut donner un coup de pied directionnel au trou noir naissant.
Ceci est difficile à résoudre avec une orbite aussi large que celle observée avec l’étoile nouvellement connectée. Le trou noir et l’étoile sont séparés par une distance de 3 500 unités astronomiques, ce qui rend leur lien gravitationnel relativement faible. La perturbation introduite par une supernova aurait dû briser ce lien comme un brin de toile d’araignée.
La large séparation orbitale rend également la capture gravitationnelle entre deux objets qui passent difficile à expliquer. Burdge et ses collègues ont mené des dizaines de milliers de simulations et ont découvert que la meilleure explication est que les trois objets étaient déjà liés gravitationnellement lorsque le trou noir s’est formé ; et que le mécanisme de formation était un effondrement direct.
« La grande majorité des simulations montrent que le moyen le plus simple de faire fonctionner ce triple est l’effondrement direct », Burge dit.
C’est la meilleure preuve à ce jour du modèle d’effondrement direct de la formation des trous noirs, qui renforce le mécanisme comme un moyen valable d’interpréter les trous noirs dont l’histoire de la formation est difficile à résoudre avec une supernova.
Il se peut très bien qu’il y ait d’autres trinaires larges incluant des trous noirs que nous avons manqués en raison de la furtivité des trous noirs ; les trouver pourrait nous aider à mieux comprendre comment ces objets se forment et pourquoi un trou noir pourrait s’effondrer directement plutôt que d’exploser dans un éclat de lumière.
« Soit nous avons eu beaucoup de chance, soit les tertiaires sont monnaie courante », dit l’astronome Kareem El-Badry de Caltech.
« S’ils sont communs, cela pourrait résoudre certaines des questions de longue date sur la formation des binaires de trous noirs. Les triples ouvrent des voies évolutives qui ne sont pas possibles pour les binaires purs.
« Les gens ont déjà prédit que les trous noirs binaires pourraient se former principalement par triple évolution, mais il n’y a jamais eu de preuve directe jusqu’à présent. »
La recherche a été publiée dans Nature.