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    Monstres cosmiques  
    Hélène Perrin & Stephen Battersby - Le Monde des sciences, no.81 - 2013-03-01      
    Les monstres du cosmos qui vous sont présentés dans ce dossier ont tous un point commun : une étoile à neutron.
Et si dans le bestiaire de l'espace, les trous noirs supermassifs sont de loin les plus imposants, les minuscules étoiles à neutrons peuvent être à l'origine de ce phénomène très déroutant.
 
    Elles sont les cadavres d'étoiles de 1,4 à 3,2 fois la masse du soleil : lorsqu'une étoile devient trop faible pour résister à son propre poids, elle s'effondre brutalement sur elle-même, et se comprime dans une dans une minuscule boule de la taille de Paris ! Composée de neutrons retenus entre eux par la gravité, l'étoile à neutron qui émerge de l'explosion est si dense qu'une cuillère à soupe de cette matière pèserait… 500 millions de tonnes ! Penchons-nous sur le berceau de ces tout nouveaux monstres.  
   

Les trous noirs supermassifs

 
   

Des trous noirs supermassifs ont été observés au centre de nombreuses galaxies dont la nôtre, Comment de tels monstres peuvent-ils se former ?

 
    Véritables ogres du zoo cosmique ,les trous noirs supermassifs sont tapis au cœur de la plupart des galaxies. Comme leurs petits frères, les trous noirs stellaires, ils déforment l'espace-temps et avalent toute forme de matière ou de rayonnement qui s'aventure dans leur voisinage. Mais, alors que la masse des trous noirs classiques n'excède pas quelques masses solaires, celle des trous noirs supermassifs est comprise entre quelques millions et quelques milliards de fois la masse du Soleil, En étudiant le mouvement des étoiles autour de Sagittarius A*, le trou noir central de notre galaxie, la Voie lactée, les astronomes ont ainsi pu estimer sa masse à environ 4 millions de fois la masse du Soleil. Un gigantisme que l'on peine encore à expliquer.  
    On sait aujourd'hui que les trous noirs résultent de l'effondrement gravitationnel du résidu d'une étoile massive. Et lorsque les réactions thermonucléaires cessent au sein de l'étoile faute de carburant, l'étoile explose en supernova. Si sa masse est suffisante, le cœur résiduel formera alors un trou noir. Les scientifiques ont donc pensé dans un premier temps que les trous noirs supermassifs se formaient progressivement à partir de petits trous noirs qui accrètent progressivement de la matière sur des milliards d'années autour de ce germe. Mais finalement, ce scénario aurait peu de chance d'être le bon.  
   

Un satellite pour les monstres

 
    Pour enfin percer le secret de ces monstres cosmiques, la NASA a lancé le satellite d'observation Chandra, qui observe l'univers avec des rayons X. En effet, avant d'être engloutie, la matière happée par les trous noirs est accélérée et chauffée à des températures extrêmes; elle émet alors une quantité importante de rayons X que capte Chandra. Les émissions des quasars, ou noyaux actifs de galaxie, fournissent ainsi de précieuses données observationnelles sur les trous noirs supermassifs qu'ils abritent.  
   

«Et, au-delà d'un amas d'étoiles, pourquoi ne pas imaginer que le coeur d'une galaxie entière s'effondre pour former un trou noir géant ?»

 
    En 2000, l'observation tant attendue nous parvient enfin. Chandra a détecté un quasar lointain, SDSS J1030 + 0524. À cause du temps mis par sa lumière pour nous parvenir, SDSS J1030 + 0524 nous apparaît tel qu'il était seulement 900 millions d'années après le Big Bang. Les astrophysiciens ont imaginé qu'il avait pu se former peu de temps après la naissance de l'Univers, à partir d'une étoile primitive qui a donné naissance à un trou noir d'une centaine de masses solaires. Les prévisions théoriques permettent d'estimer qu'il faut 30 millions d'années à un trou noir pour doubler sa masse. Pour passer d'une masse initiale de 100 masses solaires à sa masse actuelle de l'ordre de 1 milliard de masses solaires, il aura donc fallu à SDSS J1030 + 0524 près de 700 millions d'années. Difficile d'imaginer que le trou noir puisse trouver de quoi satisfaire continuellement son gigantesque appétit aussi longtemps dans les nuages de gaz et les étoiles qui l'entourent. Et que dire du trou noir ULAS J1120 + 0641, le plus ancien connu à ce jour ? Sa lumière a été émise il y a 12,9 milliards d'années, alors que l'Univers n'existait que depuis 765 millions d'années. Impossible de rendre compte de sa masse de 2 milliards de masses solaires par accrétion progressive de matière en si peu de temps. D'autres hypothèses ont donc été proposées pour expliquer la formation des trous noirs supermassifs. Première piste avancée : la formation à partir de plusieurs étoiles au lieu d'une seule. Ce phénomène pourrait se produire dans les régions actives de l'Univers, là où des multitudes d'étoiles prennent naissance au sein de nuage de gaz et de poussières. Pour asseoir ce scénario, Fred Rasio, du Département de Physique et d'Astronomie de la Northwestern University d'Evanston, dans l'Illinois, a réalisé des simulations numériques qui ont montré que les étoiles les plus massives formées dans ces pouponnières ont effectivement tendance à se regrouper pour former des structures de plusieurs milliers de masses solaires. De l'effondrement de ces amas pourraient naître des trous noirs de quelques milliers de masses solaires. Ces trous noirs «intermédiaires» évolueraient ensuite par accrétion en trous noirs supermassifs plus rapidement que les trous noirs stellaires. Reste cependant à confirmer leur existence en les détectant, peut-être parmi les sources X ultras lumineuses connues.  
   

Engloutir une galaxie entière ?

 
    Et, au-delà d'un amas d'étoiles, pourquoi ne pas imaginer que le cœur d'une galaxie entière s'effondre pour former un trou noir géant ? Pour Fred Rasio et Abraham Loeb, du Département d'Astronomie de l'Université d'Harvard à Cambridge, l'idée est séduisante, mais les choses sont moins simples qu'elles n'y paraissent. Les deux chercheurs ont modélisé l'effondrement d'un nuage de gaz froid protogalactique. Ils ont montré que la formation de trous noirs supermassifs au sein de tels nuages était envisageable, mais délicate. Les simulations indiquent en effet qu'après une première phase au cours de laquelle de grandes quantités de gaz se concentrent au centre de l'amas, il devient difficile d'accréter à ce bulbe de la matière supplémentaire. Au fur et à mesure que le nuage de gaz se contracte, la conservation du moment angulaire conduit le nuage à tourner sur lui-même.  
    La force centrifuge équilibre progressivement la force de gravitation et tend à répartir la matière sur un disque, limitant sa concentration au centre. Si le trou noir de départ a une masse suffisante, supérieure à un million de masses solaires, il lui est cependant possible de croître pour atteindre une masse de 100 millions de masses solaires en moins de 500 millions d'années.  
   

Petit trou noir deviendra grand

 
    Une hypothèse peu probable : un trou de noir stellaire accrétant de la matière pendant des centaines de millions pour devenir supermassif.  
Supernova   Les couches extérieures de l'étoile sont soufflées lors de l'explosion, le cœur résiduel s'effondre en trou noir.  
Accrétion   Le trou noir grossit en absorbant la matière environnante pendant des centaines de millions d'années.  
   
 
   

 

 
   

Les tout premiers trous noirs

 
    Restent deux autres possibilités plus exotiques. Des trous noirs primordiaux auraient pu être créés dans les premiers instants de l'Univers, au cours des différentes transitions de phases qui ont conduit à former la matière et le rayonnement tels que nous les connaissons aujourd'hui. La formation des protons et neutrons par assemblage de quarks une microseconde après le Big Bang, puis la phase d'annihilation de l'antimatière, survenue environ 10 secondes plus tard, ont généré des surdensités de matière capables de produire des trous noirs d'une centaine de milliers de masses solaires. Les scientifiques scrutent le fond diffus cosmologique à la recherche de la signature de ces hypothétiques trous noirs primordiaux. Enfin, certains invoquent la matière noire, qui aurait permis aux premières étoiles de croître énormément sans rayonner avant de s'effondrer en un trou noir massif évoluant rapidement en trou noir supermassif.  
    De nouvelles observations et modélisations seront nécessaires pour pouvoir confirmer ou infirmer chacune de ces théories. En attendant de pouvoir écrire noir sur blanc l'étonnante histoire de ces trous noirs supermassifs, les astrophysiciens continuent à traquer les quasars.  
   

Petit trou noir deviendra grand

 
   

Poussée de croissance

 
    Les observations de quasars laissent penser que les trous noirs supermassifs sont apparus dans les premiers âges de l'Univers.  
   
 
   

 

 
   

"Si dans le bestiaire de l'espace les trous noirs supermassifs sont de loin les plus imposants, les minuscules étoiles à neutrons peuvent être à l'origine de phénomènes très déroutants"

 
   

Les couples explosifs

 
    Lorsque deux étoiles à neutrons se mettent en couple, il vaut mieux ne pas trop s'en approcher, Car à chaque tour qu'elles effectuent l'une autour de l'autre, elles se rapprochent et accélèrent imperceptiblement, jusqu'au jour où elles se frôlent une dernière fois puis s'écrasent l'une contre l'autre, pour fusionner dans un cataclysme incroyable : un «sursaut gamma court». En une fraction de seconde une quantité faramineuse de matière et d'énergie est expulsée à des milliers d'année-lumière de là, selon deux jets opposés. Or, un de ces jets aurait déjà pointé vers la Terre ! C'est en tout cas ce qu'ont proposé deux chercheurs allemands en janvier 2013 pour résoudre une des plus fameuses énigmes de l'année 2012 : un événement mystérieux s'est produit en l'an 774 de notre ère, qui a laissé des traces d'éléments radioactifs dans des arbres du Japon, mais aussi d'Europe et d'Amérique, et dans les glaces de l'antarctique. Or, d'après les écrits, personne n'a rien remarqué, Il s'agirait d'un de ces sursauts gamma courts, invisibles à l'œil nu. Survenu à 3'000 et 12'000 années-lumière de la Terre, il était assez proche pour la marquer. Mais heureusement assez éloigné pour l'épargner !  
   

Vue d'artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons.

 
   

Les étoiles vampires

 
    Mortes, elles aspirent l'enveloppe de leur étoile compagnon pour se refaire une jeunesse. Ainsi, parmi les naines blanches de la Voie Lactée, une dizaine brille davantage qu'elles ne sont censées le faire : on s'attend généralement à ce que ces dépouilles d'étoile du gabarit du soleil refroidissent lentement jusqu'à se fondre dans la noirceur du cosmos. À l'inverse, ces "novas récurrentes" profitent d'être liées à une étoile bien vivante pour absorber et emmagasiner sa matière… jusqu'à exploser dans un flash 100'000 fois plus brillant que le soleil. L'explosion ayant dispersé la matière environnante, elles reprennent leur macabre besogne. Pour exploser à nouveau, une quinzaine d'années plus tard, et ainsi de suite, Mais cette seconde jeunesse n'est pas non plus éternelle. À chaque étape la naine blanche gagne un peu de poids, et finit par atteindre la taille limite nécessaire pour se transformer en étoile à neutron. Alors, elle trépasse dans une dernière explosion, cette fois pour l'éternité.  
   

Une naine blanche, à gauche, aspire l'enveloppe gazeuse de son étoile compagnon.

 
   

Les parasites stellaires

 
    D'apparence, c'est une étoile banale. Pourtant elle cache un terrible secret : une autre étoile navigue dans ses entrailles. Plus précisément, une étoile à neutron. Une situation aberrante qui n'a encore jamais été observée dans la réalité, mais est tout à fait plausible dans la théorie : lorsque dans un couple stellaire l'une des deux protagonistes arrive en fin de vie et se transforme en étoile à neutron, elles peuvent continuer à orbiter l'une autour de l'autre comme si de rien n'était jusqu'à ce que la seconde atteigne sa limite d'âge : elle se met alors naturellement à gonfler, jusqu'à engloutir sa minuscule compagne, la dissimulant aux yeux des télescopes. C'est pourquoi il sera très difficile de prouver l'existence de ces objets, appelés objet de Thome-Zytkow, On tient tout de même une piste : certaines étoiles dites de «Wolf Rayet» dont le signal lumineux se comporte étrangement… comme si un objet invisible les perturbait.  
   

Image du télescope spacial Hubble de la nébuleuse M1-67 autour de l'étoile Wolf-Rayet WR124.

 
       
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