Voir l’invisible
L’équipe a combiné deux techniques cosmiques pour repérer le trou noir : la lentille gravitationnelle et l’astrométrie. Le premier fonctionne parce que lorsque la gravité déforme l’espace-temps, elle modifie le chemin emprunté par la lumière lorsqu’elle passe à proximité. Lorsqu’un objet céleste passe très près d’une étoile plus éloignée dans le ciel depuis notre ligne de visée, la lumière de l’étoile se courbe lorsqu’elle passe devant l’objet le plus proche. Si l’objet de premier plan effectuant la flexion est relativement petit – disons, une planète, une étoile ou un trou noir, plutôt qu’une galaxie entière ou un amas de galaxies – le processus est appelé, plus précisément, microlentille.
La microlentille fait agir l’objet le plus proche comme une loupe naturelle, éclairant temporairement la lumière de l’étoile lointaine – un effet que les télescopes peuvent capter. Les astronomes peuvent estimer approximativement la masse de l’objet le plus proche en fonction de la durée du pic de lumière des étoiles ; des objets plus massifs créent des événements de microlentilles plus longs. Ainsi, un long événement de microlentille causé par quelque chose que nous ne pouvons pas voir pourrait signaler un trou noir voyou.
Mais les trous noirs ne peuvent pas être confirmés par la microlentille seule. Une petite étoile faible se déplaçant lentement pourrait se faire passer pour un trou noir. Elle aussi produirait un signal long, en raison de sa vitesse lente, et si l’étoile est suffisamment faible, les astronomes pourraient ne pas la voir, uniquement capables de détecter la lumière de l’étoile d’arrière-plan.
C’est là qu’intervient l’astrométrie. Cette technique consiste à effectuer des mesures précises de la position d’un objet. En voyant à quel point la position de l’étoile d’arrière-plan semble se déplacer lors d’un événement de microlentille, les astronomes peuvent déterminer très précisément la masse de l’objet le plus proche.
“C’est ainsi que nous avons su que nous avions trouvé un trou noir”, explique Sahu. « L’objet que nous avons détecté est si massif que s’il s’agissait d’une étoile, il brillerait de mille feux ; pourtant nous n’avons détecté aucune lumière.
Cette découverte est l’aboutissement de sept années d’observations. Les signaux de microlentilles qui peuvent révéler de petits trous noirs solitaires durent presque un an. Deux télescopes au sol, le télescope Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) et Microlensing Observations in Astrophysics (MOA), ont capté l’événement. Cela a duré assez longtemps pour que les astronomes soupçonnent que l’objet de lentille pourrait être un trou noir.
C’est alors qu’ils ont commencé à faire des mesures astrométriques. La déviation causée par l’objet intermédiaire dans la lumière de l’étoile d’arrière-plan était si petite que seul le télescope spatial Hubble pouvait la détecter. L’équipe a passé plusieurs années supplémentaires à analyser le signal astrométrique, qui peut en général durer cinq à dix fois plus longtemps que son homologue à microlentilles.
“C’est extrêmement gratifiant de faire partie d’une découverte aussi monumentale”, déclare Sahu. « J’ai cherché des trous noirs voyous pendant plus d’une décennie, et c’est excitant d’en trouver un ! J’espère que ce sera le premier d’une longue série.”
Établir la norme cosmique
Il est toujours possible que l’objet ne soit pas un trou noir après tout. Une analyse rare distincte du même événement place l’objet quelque part entre environ 1,5 et 4 masses solaires – suffisamment léger pour qu’il puisse être soit un trou noir, soit une étoile à neutrons (le noyau écrasé d’une étoile morte qui n’était pas assez massive pour devenir un trou noir). Considérant que les astronomes n’ont jamais détecté d’étoile à neutrons isolée auparavant, ce serait quand même une découverte remarquable. Les résultats des deux équipes sont toujours en cours d’examen par les pairs.
Indépendamment de ce résultat, certains astronomes pensent que les trous noirs de masse stellaire trouvés dans les systèmes binaires peuvent représenter un échantillon biaisé. Leurs masses ne varient que d’environ 5 à 20 fois la masse du Soleil, la plupart pesant environ 7 masses solaires. Mais la véritable plage peut être beaucoup plus large.
“Les trous noirs de masse stellaire qui ont été détectés dans d’autres galaxies via des ondes gravitationnelles sont souvent beaucoup plus grands que ceux que nous avons trouvés dans notre galaxie – jusqu’à près de 100 masses solaires”, explique Sahu. « En en trouvant plus qui sont isolés, nous serons mieux en mesure de comprendre à quoi ressemble la véritable population de trous noirs et d’en apprendre encore plus sur les fantômes qui hantent notre galaxie.
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