LE TROU NOIR QUI AVALE SA PROPRE LUMIÈRE

L’horizon des événements fait d’un trou noir un trou noir : une frontière au-delà de laquelle rien, pas même la lumière, ne peut revenir. Par définition, il ne nous envoie aucun signal. L’Event Horizon Telescope a photographié l’ombre des trous noirs géants de la galaxie M87 et Sagittarius A* — une preuve indirecte d’horizon. Mais l’horizon d’un trou noir né d’une étoile ne mesure que quelques dizaines de kilomètres, bien trop peu pour en faire une image.

L’argument du compagnon pâle

Les astronomes disposent d’un autre indice. Dans les couples où un astre mort arrache du gaz à un compagnon, les systèmes à trou noir au repos sont en général environ cent fois plus pâles que les systèmes à étoile à neutrons aux orbites semblables. L’explication : le gaz qui tombe heurte la surface de l’étoile à neutrons et brille, tandis que le trou noir avale l’énergie.

Le point faible est une hypothèse. L’argument suppose que des orbites semblables impliquent des débits de matière semblables. Pour les orbites de plus de 80 minutes, le compagnon peut être une naine brune, une étoile ordinaire ou une géante, et plusieurs effets peuvent entraîner le flot de gaz. Le vrai débit reste inconnu.

Des couples qui tournent en quelques minutes

Qian-Qi Ma, Wei-Min Gu et Mouyuan Sun, de l’université de Xiamen, avec Shan-Shan Weng, de l’université normale de Nankin, se sont tournés vers les binaires X ultra-compactes. Quand l’orbite dure moins de 40 minutes, les deux corps sont si proches que le compagnon ne peut être qu’une naine blanche. Et l’orbite se resserre surtout en émettant des ondes gravitationnelles.

Ces systèmes deviennent alors des laboratoires propres. Le débit de matière ne dépend que de la théorie de la gravitation et du lien entre la taille d’une naine blanche et sa masse. On le calcule à partir de la seule période orbitale, avec quelques masses supposées : 1,4 à 2 Soleils pour une étoile à neutrons, 3 à 20 pour un trou noir.

L’équipe a retenu cinq de ces systèmes, tous situés dans des amas globulaires, des boules denses de vieilles étoiles dont la distance est connue à 2 % près :

• quatre contiennent une étoile à neutrons, identifiée par ses sursauts thermonucléaires en rayons X ;
• un, 47 Tuc X-9, contient un trou noir, identifié par la façon dont ses émissions radio et X varient ensemble. Son orbite dure environ 28 minutes.

Les chercheurs ont ensuite comparé l’émission X moyenne de chaque système, tirée des données de Chandra, Swift et d’autres observatoires, au débit de matière calculé.

Mille fois plus pâle

Le résultat s’appelle l’efficacité radiative : la part de l’énergie de la matière qui tombe ressortant sous forme de rayons X.

• Pour les quatre étoiles à neutrons, elle dépasse 5 %.
• Pour le trou noir, elle reste sous 0,03 %.

L’écart atteint deux à trois ordres de grandeur. Le duo le plus frappant : le système à étoile à neutrons M15 X-2 et le trou noir 47 Tuc X-9 sont nourris à des débits semblables, environ 10¹⁶ grammes par seconde, mais 47 Tuc X-9 est mille fois plus pâle. Même avec des incertitudes allant jusqu’à un facteur dix sur l’éclat de certaines sources, les deux groupes restent séparés.

Où passe l’énergie

Les auteurs l’expliquent par ce qui se trouve au fond. Une étoile à neutrons possède une surface dure : même si le gaz chaud rayonne mal pendant sa chute, son énergie finit déposée sur cette surface puis réémise. Un trou noir n’a pas de surface. À faible débit, une grande partie de l’énergie du gaz est emportée vers l’intérieur sous forme de chaleur — et disparaît derrière l’horizon.

Pour les auteurs, c’est une preuve forte de l’horizon d’un trou noir stellaire, mais indirecte, comme le dit leur propre résumé. Elle repose sur un seul trou noir. Ils avancent une prédiction vérifiable : toute nouvelle étoile à neutrons découverte dans un couple aussi serré devrait rejoindre le groupe lumineux, et tout trou noir à l’orbite semblable devrait être aussi pâle que 47 Tuc X-9.

Une leçon pour les trous noirs géants

L’étude porte un avertissement plus large. Pour un trou noir, l’éclat mesure mal ce qu’il avale. Un trou noir peut grossir en restant discret. Selon les auteurs, les relevés qui déduisent la croissance des trous noirs supermassifs de leur lumière pourraient en manquer une partie.