Les astronomes ont livré une remise en réalité dans la chasse aux trous noirs et étoiles à neutrons cachés dans la Voie lactée. Une équipe dirigée par Joshua Simon des Observatoires Carnegie a mené un suivi spectroscopique de 31 systèmes d’étoiles binaires que Gaia, le satellite de cartographie stellaire de l’Agence spatiale européenne, avait signalés comme pouvant abriter des objets compacts sombres. Leur conclusion : la plupart de ces pistes étaient des faux positifs.
Ces travaux, publiés dans l’Astrophysical Journal, constituent une étape sobre mais précieuse dans l’apprentissage de la distinction entre les véritables trésors cosmiques et le bruit statistique.
Ce que promettait le catalogue Gaia
Gaia cartographie les positions, mouvements et propriétés de près de deux milliards d’étoiles depuis son lancement en 2013. Sa troisième publication de données, connue sous le nom de DR3, incluait un catalogue de systèmes d’étoiles binaires — des paires d’étoiles orbitant autour d’un centre de gravité commun. Parmi celles-ci figuraient des systèmes où un objet semblait invisible mais massif : un trou noir ou une étoile à neutrons.
L’idée était simple. Lorsqu’une étoile visible oscille sous l’attraction gravitationnelle d’un compagnon invisible, les astronomes peuvent calculer la masse minimale de ce compagnon. Si cette masse dépasse environ 2,3 fois celle du Soleil, le compagnon est trop lourd pour être une naine blanche et trop compact pour être une étoile ordinaire. Il doit s’agir d’une étoile à neutrons ou d’un trou noir. Les catalogues de binaires astrométriques et spectroscopiques de Gaia ont identifié des dizaines de candidates correspondant à cette description, suscitant l’enthousiasme dans la communauté astrophysique.
Trois de ces candidates ont déjà été confirmées par des observations au sol : Gaia BH1 et Gaia BH2, deux trous noirs de masse stellaire, et Gaia NS1, une étoile à neutrons. Elles restent les seules découvertes de référence à ce jour.
Ce que la nouvelle étude a révélé
L’équipe de Simon a utilisé certains des télescopes les plus puissants au monde, notamment les télescopes Magellan au Chili, l’Automated Planet Finder de l’observatoire Lick et l’observatoire Keck à Hawaï, pour obtenir des spectres à haute résolution de 31 systèmes candidats sur plusieurs années. En mesurant comment les vitesses radiales des étoiles (leur vitesse d’approche ou d’éloignement de la Terre) évoluaient dans le temps, ils ont dérivé des solutions orbitales complètes pour 12 des systèmes.
Les résultats étaient frappants. Pour chaque candidat dont la masse du compagnon sombre dépassait 2 masses solaires et que Gaia avait signalé comme ayant une solution orbitale, les orbites de Gaia se sont révélées erronées. Les seules exceptions étaient les déjà confirmés Gaia BH1, Gaia BH2 et Gaia NS1.
Dans certains cas, les compagnons sombres présumés étaient en réalité des étoiles ordinaires de faible masse ou des naines blanches. Dans un cas, le système s’est avéré être une binaire spectroscopique à double raie — deux étoiles parfaitement ordinaires orbitant l’une autour de l’autre, pas du tout un trou noir. Les faux positifs proviennent probablement du traitement automatisé de Gaia, qui a signalé des cas limites où les données semblaient par hasard indiquer un compagnon de masse élevée.
L’équipe recommande que les futures recherches utilisent des critères plus conservateurs : exiger une significativité du signal supérieure à 10 et un paramètre de qualité d’ajustement inférieur à 4 lors de la sélection des candidates dans les catalogues Gaia. Ces critères réduiraient considérablement le nombre de faux positifs.
Une piste prometteuse subsiste
Tout espoir n’est pas perdu. Parmi les 11 étoiles en accélération de l’échantillon — des systèmes présentant de fortes accélérations dans le ciel et le long de la ligne de visée mais sans solutions orbitales complètes dans les données DR3 — un objet se distingue. Connu sous le nom de Gaia DR3 3689209059942075008, il a une masse minimale de compagnon de 1,16 fois celle du Soleil, avec une très faible incertitude. Cela le place juste à la frontière entre les naines blanches les plus lourdes possibles et les étoiles à neutrons les plus légères. Il pourrait s’agir soit d’une naine blanche ultramassive, soit d’une étoile à neutrons, et des observations supplémentaires seront nécessaires pour trancher.
Ce système suggère que les catalogues d’accélération de Gaia, qui ont reçu moins d’attention que les catalogues principaux de binaires, pourraient encore receler des objets compacts non découverts. Les données d’accélération couvrent un ensemble d’étoiles plus large et moins strictement filtré, incluant potentiellement des binaires plus larges que les catalogues orbitaux ont manquées.
Pourquoi c’est important
Les trous noirs dormants et les étoiles à neutrons qui n’aspirent pas activement de matière d’un compagnon sont extrêmement difficiles à détecter. Ils n’émettent aucune lumière. Le seul moyen de les détecter est par leur influence gravitationnelle sur une étoile proche. Gaia est le premier instrument capable de scanner systématiquement l’ensemble du ciel pour détecter ces signaux subtils.
Chaque découverte confirmée, notamment Gaia BH1 à 1 560 années-lumière, Gaia BH2 et Gaia NS1, a réécrit ce que nous savons du nombre de trous noirs et d’étoiles à neutrons qui se cachent dans notre voisinage galactique. Les estimations suggèrent que la Voie lactée pourrait contenir 100 millions de trous noirs de masse stellaire et un milliard d’étoiles à neutrons. Trouver ne serait-ce qu’une poignée d’entre eux dans des binaires larges non interactives aide les théoriciens à comprendre comment les étoiles massives évoluent, comment les supernovae se produisent et comment les systèmes binaires survivent à ces événements violents.
Le nouvel article ne livre pas une nouvelle moisson d’objets compacts. Mais il fournit quelque chose de presque aussi précieux : une carte des pièges et des écueils qui attendent quiconque tente de les trouver. Les futures recherches, y compris celles utilisant la quatrième publication de données à venir de Gaia (DR4), peuvent désormais éviter les mêmes impasses.
« Nous ne trouvons aucun nouveau compagnon trou noir ou étoile à neutrons confirmé », écrivent les auteurs dans leur conclusion. Mais ils notent que les catalogues d’accélération « pourraient donc fournir une source largement inexplorée de binaires larges supplémentaires contenant des objets compacts. »
La recherche se poursuit.
Images :
- Impression d’artiste du système Gaia BH1 (ESA)
- Carte des étoiles binaires de Gaia dans la Voie lactée (ESA/Gaia/DPAC)
- Illustration de la méthode des vitesses radiales pour détecter les exoplanètes et objets compacts (NASA)
Traduit par Lydie