Trou noir, étoile à neutrons ou objet spatial non identifié ? Des astronomes font une découverte défiant toute explication

Parfois, les astronomes rencontrent des objets dans le ciel que nous ne pouvons pas facilement expliquer. Dans notre nouvelle recherche, publiée dans Science, nous rapportons une telle découverte, qui est susceptible de susciter la discussion et la spéculation.

Les étoiles à neutrons sont parmi les objets les plus denses de l’univers. Aussi compacts qu’un noyau atomique, mais aussi grands qu’une ville, ils repoussent les limites de notre compréhension de la matière extrême. Plus une étoile à neutrons est lourde, plus elle risque de s’effondrer pour devenir encore plus dense : un trou noir.

Ces objets astrophysiques sont si denses, et leur attraction gravitationnelle si forte, que leurs noyaux – quels qu’ils soient – sont en permanence enveloppés de l’univers par des horizons d’événements : des surfaces d’obscurité parfaite dont la lumière ne peut s’échapper.

Si nous voulons un jour comprendre la physique au point de basculement entre les étoiles à neutrons et les trous noirs, nous devons trouver des objets à cette limite. En particulier, nous devons trouver des objets pour lesquels nous pouvons effectuer des mesures précises sur de longues périodes. Et c’est précisément ce que nous avons trouvé – un objet qui n’est ni une étoile à neutrons ni un trou noir.

C’est en regardant au plus profond de l’amas d’étoiles NGC 1851 que nous avons repéré ce qui semble être une paire d’étoiles offrant une nouvelle vue sur les extrêmes de la matière dans l’univers. Le système est composé d’un pulsar d’une milliseconde, un type d’étoile à neutrons en rotation rapide qui balaie les faisceaux de lumière radio à travers le cosmos pendant qu’il tourne, et d’un objet massif et caché de nature inconnue.

L’objet massif est sombre, ce qui signifie qu’il est invisible à toutes les fréquences de la lumière – de la radio aux bandes optiques, aux rayons X et aux rayons gamma. Dans d’autres circonstances, il serait impossible d’étudier, mais c’est ici que le pulsar milliseconde vient à notre aide.

Les pulsars millisecondes sont semblables aux horloges atomiques cosmiques. Leurs spins sont incroyablement stables et peuvent être mesurés avec précision en détectant l’impulsion radio régulière qu’ils créent. Bien que intrinsèquement stable, le spin observé change lorsque le pulsar est en mouvement ou lorsque son signal est affecté par un fort champ gravitationnel. En observant ces changements, nous pouvons mesurer les propriétés des corps en orbite avec des pulsars.

Notre équipe internationale d’astronomes a utilisé le radiotélescope MeerKAT en Afrique du Sud pour effectuer de telles observations du système, appelé NGC 1851E.

Celles-ci nous ont permis de détailler précisément les orbites des deux objets, montrant que leur point d’approche le plus proche change avec le temps. Ces changements sont décrits par la théorie de la relativité d’Einstein et la vitesse d’un changement nous renseigne sur la masse combinée des corps dans le système.

Nos observations ont révélé que le système NGC 1851E pèse presque quatre fois plus que notre Soleil et que le compagnon sombre était, comme le pulsar, un objet compact – beaucoup plus dense qu’une étoile normale. Les étoiles à neutrons les plus massives pèsent autour de deux masses solaires, donc s’il s’agissait d’un double système d’étoiles à neutrons (systèmes bien connus et étudiés), il devrait contenir deux des étoiles à neutrons les plus lourdes jamais trouvées.

Pour découvrir la nature du compagnon, nous aurions besoin de comprendre comment la masse dans le système était distribuée entre les étoiles. Toujours en utilisant la relativité générale d’Einstein, nous avons pu modéliser le système en détail, en trouvant la masse du compagnon entre 2,09 et 2,71 fois la masse du Soleil.

La masse du compagnon se situe dans le « trou noir » qui se trouve entre les étoiles à neutrons les plus lourdes possibles, dont on pense qu’elles ont environ 2,2 masses solaires, et les trous noirs les plus légers qui peuvent être formés à partir de l’effondrement stellaire, soit environ 5 masses solaires. La nature et la formation des objets dans cette lacune est une question exceptionnelle en astrophysique.

Une possibilité intéressante est que nous avons découvert un pulsar en orbite autour des restes d’une fusion (collision) de deux étoiles à neutrons. Une telle configuration inhabituelle est rendue possible par l’emballage dense des étoiles dans NGC 1851.

Dans cette piste de danse stellaire bondée, les étoiles se tournoieront les unes autour des autres, échangeant leurs partenaires dans une valse sans fin. Si deux étoiles à neutrons sont projetées trop près l’une de l’autre, leur danse prendra une fin cataclysmique.

Le trou noir créé par leur collision, qui peut être beaucoup plus léger que ceux créés par l’effondrement des étoiles, est alors libre d’errer dans l’amas jusqu’à ce qu’il trouve une autre paire de danseurs dans la valse et, plutôt grossièrement, s’insérer lui-même – expulsant le partenaire plus léger dans le processus. C’est ce mécanisme de collisions et d’échanges qui pourrait donner naissance au système que nous observons aujourd’hui.

Nous n’en avons pas encore fini avec ce système. Des travaux sont déjà en cours pour identifier de manière concluante la vraie nature du compagnon et révéler si nous avons découvert le trou noir le plus léger ou l’étoile à neutrons la plus massive – ou peut-être ni l’un ni l’autre.

À la frontière entre les étoiles à neutrons et les trous noirs, il y a toujours la possibilité qu’un nouvel objet astrophysique, encore inconnu, puisse exister.

Beaucoup de spéculations suivront certainement cette découverte, mais ce qui est déjà clair, c’est que ce système est extrêmement prometteur lorsqu’il s’agit de comprendre ce qui arrive réellement à la matière dans les environnements les plus extrêmes de l’univers.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation.