Une étoile rate son explosion : l’observation inédite d’un effondrement en trou noir

Un phénomène céleste rarement observé

Des astronomes ont récemment assisté à un événement cosmique exceptionnel : une étoile mourante qui, au lieu d’exploser en supernova spectaculaire, s’est effondrée sur elle-même pour former un trou noir. Cette observation remarquable constitue l’enregistrement le plus complet jamais réalisé de la transformation directe d’une étoile en trou noir. Grâce à ces données, les scientifiques ont pu construire une image physique complète de ce processus complexe.

En combinant des observations récentes de l’astre avec plus d’une décennie de données d’archives, les astronomes ont confirmé et affiné les modèles théoriques expliquant comment de telles étoiles massives achèvent leur existence. L’équipe a découvert que l’étoile a échoué à exploser en supernova à la fin de sa vie ; à la place, son cœur s’est effondré en un trou noir, expulsant lentement ses couches externes turbulentes au cours du processus.

Ces résultats, publiés dans la revue Science, suscitent déjà un vif intérêt au sein de la communauté scientifique. Ils offrent un aperçu rare des origines mystérieuses des trous noirs et aideront à comprendre pourquoi certaines étoiles massives deviennent des trous noirs à leur mort, tandis que d’autres connaissent un destin différent.

La disparition soudaine d’une géante dans Andromède

L’étoile désormais éteinte, nommée M31-2014-DS1, se situe à environ 2,5 millions d’années-lumière de la Terre, dans notre galaxie voisine, Andromède. Kishalay De, chercheur associé au Flatiron Institute de la Fondation Simons et auteur principal de l’étude, a analysé avec ses collaborateurs les mesures de l’étoile provenant du projet NEOWISE de la NASA ainsi que d’autres télescopes terrestres et spatiaux sur une période allant de 2005 à 2023. Ils ont constaté que la lumière infrarouge de M31-2014-DS1 a commencé à s’intensifier en 2014.

Par la suite, en 2016, l’étoile a rapidement perdu de son éclat, tombant bien en dessous de sa luminosité originale en à peine un an. Les observations menées en 2022 et 2023 ont montré que l’astre avait essentiellement disparu dans le spectre de la lumière visible et du proche infrarouge, devenant un dix-millième aussi brillant dans ces longueurs d’onde. Son vestige n’est désormais détectable qu’en lumière moyen-infrarouge, où il brille à seulement un dixième de son intensité précédente.

Kishalay De commente cet événement avec une analogie frappante : « Cette étoile était l’une des plus lumineuses de la galaxie d’Andromède, et maintenant elle a disparu. Imaginez si l’étoile Bételgeuse disparaissait soudainement. Tout le monde deviendrait fou ! Le même genre de chose [s’est] produit avec cette étoile dans la galaxie d’Andromède. » En comparant ces observations aux prédictions théoriques, les chercheurs ont conclu que cet affaiblissement dramatique constitue une preuve solide que le cœur de l’étoile s’est effondré pour devenir un trou noir.

Mécanique de la mort stellaire et de l’effondrement

Pour comprendre ce phénomène, il faut se pencher sur le fonctionnement interne des étoiles. Celles-ci fusionnent l’hydrogène en hélium dans leur cœur, un processus qui génère une pression vers l’extérieur équilibrant l’attraction incessante de la gravité vers l’intérieur. Lorsqu’une étoile massive, pesant environ 10 fois ou plus la masse de notre soleil, commence à manquer de carburant, cet équilibre entre les forces est rompu. La gravité commence alors à faire s’effondrer l’étoile, et son cœur succombe en premier pour former une étoile à neutrons dense au centre.

Souvent, l’émission de neutrinos durant ce processus génère une onde de choc puissante, suffisamment explosive pour déchiqueter la majeure partie du cœur 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 cette matière retomberait dans l’étoile à neutrons, formant ainsi un trou noir.

Malgré les avancées scientifiques, beaucoup d’inconnues subsistent. Comme le souligne Kishalay De : « Nous savons depuis près de 50 ans maintenant que les trous noirs existent, pourtant nous commençons à peine à comprendre quelles étoiles se transforment en trous noirs et comment elles le font. »

Le rôle caché et déterminant de la convection

L’analyse détaillée de M31-2014-DS1 a 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 du sort des couches externes ayant enveloppé l’étoile après son échec à devenir une supernova. L’élément qui avait été négligé jusqu’ici est la convection. La convection est un sous-produit des vastes différences de température à l’intérieur de l’étoile : la matière près du centre est extrêmement chaude, tandis que les régions externes sont beaucoup plus froides. Ce différentiel provoque le déplacement des gaz des régions les plus chaudes vers les plus froides.

Lorsque le cœur de l’étoile s’effondre, le gaz de ses couches externes est toujours en mouvement rapide en raison de cette convection. Les modèles théoriques développés par les astronomes du Flatiron Institute ont montré que ce phénomène empêche la majeure partie des couches externes de tomber directement vers le centre. 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 zone convective.

Le matériau éjecté se refroidit à mesure qu’il s’éloigne de la matière brûlante entourant le trou noir. Ce matériau froid forme rapidement de la poussière lorsque les atomes et les molécules se combinent. Cette poussière obscurcit le gaz chaud orbitant autour du trou noir, tout en étant réchauffée par celui-ci, ce qui produit un éclaircissement observable dans les longueurs d’onde infrarouges. Cette lueur rouge persistante reste visible pendant des décennies après la disparition de l’étoile elle-même.

Une disparition lente et tourbillonnante

Andrea Antoni, co-autrice et chercheuse au Flatiron Institute, avait précédemment développé les prédictions théoriques pour ces modèles de convection. Face aux preuves observationnelles frappantes de M31-2014-DS1, elle explique : « Le taux d’accrétion — le taux de chute de la matière — est beaucoup plus lent que si l’étoile implosait directement vers l’intérieur. Ce matériau convectif a un moment angulaire, donc il se circularise autour du trou noir. Au lieu de prendre des mois ou une année 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’atténuation de l’étoile originale. »

Le phénomène peut être comparé à de l’eau tourbillonnant autour de l’évacuation d’une baignoire plutôt que de s’écouler directement vers le bas. Le gaz en mouvement autour de ce trou noir nouvellement formé continue sa course chaotique même s’il est lentement attiré vers l’intérieur. Ainsi, la chute freinée par la convection empêche l’étoile entière de s’effondrer directement dans le trou noir naissant.

Les chercheurs proposent qu’après l’implosion rapide du cœur, une partie du matériau sortant retombe lentement sur plusieurs décennies. Ils estiment que seulement environ 1 % du gaz de l’enveloppe stellaire originale tombe dans le trou noir, alimentant la lumière qui en émane aujourd’hui.

Une nouvelle classe de supernovas ratées

En analysant les observations de M31-2014-DS1, Kishalay De et son équipe ont également réévalué l’étoile similaire NGC 6946-BH1, catégorisée il y a dix ans. Dans leur nouvelle étude, ils présentent des preuves frappantes expliquant pourquoi cette étoile a suivi un schéma similaire. Si M31-2014-DS1 apparaissait initialement comme une curiosité isolée, elle semble désormais n’être qu’un membre d’une classe d’objets plus large, incluant NGC 6946-BH1. Kishalay De note à ce propos : « C’est seulement avec ces joyaux individuels de découverte que nous commençons à assembler une image comme celle-ci. »

L’avenir de l’observation s’annonce prometteur. Selon Kishalay De : « C’est juste le début de l’histoire. » Il précise que la lumière provenant des débris poussiéreux entourant le nouveau trou noir « va être visible pendant des décennies au niveau de sensibilité de télescopes comme le télescope spatial James Webb, parce qu’elle va continuer à s’estomper très lentement. Et cela pourrait finir par être une référence pour comprendre comment les trous noirs stellaires se forment dans l’univers. »

Selon la source : phys.org

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