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Comprendre la formation des trous noirs par les coups de naissance et l'émission de neutrinos

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Vue d’artiste de VFTS 243 dans la nébuleuse de la Tarentule. Crédit : ESO/L. Calçada. eso.org/public/images/eso2210a/

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Vue d’artiste de VFTS 243 dans la nébuleuse de la Tarentule. Crédit : ESO/L. Calçada. eso.org/public/images/eso2210a/

Une nouvelle étude dans Lettres d’examen physique explore les conditions de formation des trous noirs à partir d’étoiles mourantes, en particulier le rôle des naissances induites par les neutrinos dans le processus de formation.

Les trous noirs font partie des objets les plus mystérieux de l’univers, avec des forces gravitationnelles si fortes que même la lumière ne peut y échapper. À l’heure actuelle, d’après les preuves dont nous disposons, les trous noirs sont stellaires, ce qui signifie qu’ils naissent lorsque les étoiles meurent.

Cependant, les mécanismes exacts de leur formation restent encore un mystère. Que nouvelle étude aborde certains de ces mystères en étudiant des processus tels que l’éjection de masse stellaire et l’émission de neutrinos, qui jouent un rôle crucial dans la formation des trous noirs.

Phys.org s’est entretenu avec le premier auteur, le Dr. Alejandro Vigna-Gómez, postdoctorant à l’Institut Max Planck d’astrophysique en Allemagne.

Interrogé sur sa motivation pour étudier la formation des trous noirs, il a répondu : « Au cours de la dernière décennie, mon travail s’est situé à l’intersection de la physique des étoiles binaires et de la supernova. »

“Mon intérêt s’est accru à la suite des récentes percées dans l’astronomie des trous noirs. Ces dernières années, j’ai réalisé que les trous noirs massifs pourraient offrir un aperçu significatif des processus d’effondrement stellaire qui aboutissent à leur création.”

Coups de pied natals et étoiles à neutrons

Lorsqu’une étoile plus grande que notre soleil atteint la fin de sa vie, elle provoque une explosion extrêmement brillante et violente appelée explosion de supernova. Ces explosions sont si brillantes qu’elles peuvent brièvement éclipser la luminosité d’une galaxie entière et libérer un grand nombre de neutrinos pour laisser derrière elles une étoile à neutrons.

La masse stellaire éjectée lors de l’explosion a une vitesse de plusieurs milliers de kilomètres par seconde, mais n’est pas toujours répartie uniformément. Cette asymétrie conduit à des asymétries à grande échelle dans les restes de l’explosion observées pour les étoiles à neutrons.

Cette masse éjectée asymétrique provoque un recul sur l’étoile à neutrons appelé coup de pied de naissance, qui la fait se déplacer à grande vitesse à travers une galaxie. Des coups de pied natals ont déjà été observés pour les étoiles à neutrons, mais pas pour les trous noirs.

Les trous noirs se forment lorsqu’une étoile mourante s’effondre sur elle-même au lieu d’exploser. Nous arrivons donc à la question des scientifiques : les coups de pied de naissance peuvent-ils également jouer un rôle dans la formation des trous noirs ?

Binaire de trou noir

“Ces dernières années, plusieurs trous noirs binaires ont été découverts dans notre galaxie et ses environs. Ils sont généralement détectés par émission de rayons X, mais seuls quelques-uns ont été détectés par spectroscopie monoligne (une autre méthode) sous forme de rayons X au repos. binaires”, a déclaré le Dr. Vigna-Gómez.

Ces systèmes binaires n’émettent pas de quantités significatives de rayons X, ce qui peut indiquer les stades de développement des étoiles dans le système binaire.

Les chercheurs ont choisi la galaxie VFTS 243 pour leur étude car elle contient l’un des trous noirs les plus massifs parmi ces binaires.

Le système binaire est constitué d’un trou noir et d’une étoile massive. Les chercheurs voulaient étudier les conditions dans lesquelles le trou noir s’est formé, comme la masse stellaire perdue et les coups de naissance associés à sa formation.

Les chercheurs se sont appuyés sur des observations récentes d’étoiles en voie de disparition, qui sont des étoiles qui sont mortes et sont devenues des trous noirs sans explosion. De plus, ces trous noirs binaires de masse stellaire (c’est le terme officiel) sont inertes, ce qui signifie qu’il y a peu d’interaction entre l’étoile et le trou noir après la formation du trou noir.

Restrictions concernant le coup de pied à la naissance

Les chercheurs ont utilisé une approche semi-analytique pour calculer la probabilité qu’un coup de naissance lors de la formation du trou noir conduise à la configuration observée du système.

Pour analyser la formation du système, les chercheurs ont utilisé diverses contraintes telles que la période orbitale, l’excentricité et la vitesse radiale systémique du système. Ils ont également effectué des estimations des asymétries à long terme des neutrinos lors de la formation du trou noir (en supposant que cela se soit produit à cause d’un effondrement complet et non d’une explosion).

Dr. Résumant les résultats, Vigna-Gómez a déclaré : « Nous constatons que le trou noir dans VFTS 243 s’est formé sans explosion et a eu un faible coup de naissance de neutrinos, le cas échéant. Cela suggère que les neutrinos ont été émis presque également dans toutes les directions, lorsque le progéniteur massif s’est effondré dans un trou noir.

Pour VFTS 243, les chercheurs ont limité la vitesse du coup de naissance à une valeur inférieure ou égale à environ 10 kilomètres par seconde. Ils ont découvert que le scénario le plus probable est qu’environ 0,3 masse solaire aurait été éjectée, probablement sous forme de neutrinos, et que le trou noir aurait connu un coup de naissance d’environ 4 kilomètres par seconde.

Travail futur

Ces découvertes ont des implications sur la formation d’autres trous noirs, suggérant que certains pourraient se former via un effondrement complet sans explosion.

De plus, l’émission de neutrinos à long terme est préférentiellement à symétrie sphérique (égale dans toutes les directions), ce qui explique l’absence d’un fort coup de naissance pour le système binaire.

Dr. Vigna-Gómez a ajouté : “Il semble que l’intuition théorique que nous avons construite sur les trous noirs avec des coups de naissance réduits par rapport aux étoiles à neutrons était correcte.”

“Cette analyse montre que VFTS 243 peut être utilisé comme système de référence pour simuler des supernovae avec effondrement du noyau, c’est-à-dire que les simulations d’étoiles s’effondrant en trous noirs d’environ dix masses solaires devraient s’aligner sur les petites asymétries de neutrinos et le coup de naissance que nous avons déduits pour VFTS. 243.”

Construire un cadre pour une population de trous noirs serait la prochaine étape pour les scientifiques dans leurs efforts pour comprendre l’évolution des étoiles massives.

Plus d’information:
Alejandro Vigna-Gómez et al., Contraintes sur les coups de pied natals des neutrinos du trou noir binaire VFTS 243, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.191403.

Informations sur la revue :
Lettres d’examen physique


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