Un trou noir trahi par la danse d'une étoile...

Il n'avale pas de matière et n'émet quasiment aucun rayon X. Il est presque totalement silencieux, et pourtant, Gaia BH3 fait 33 fois la masse du Soleil : c'est le trou noir d'origine stellaire le plus massif connu. Invisible, c'est par la danse d'une étoile qu'il s'est fait repérer. À environ 590 années-lumière de la Terre se cache en effet un duo extraordinaire : Gaia BH3 (pour Black Hole 3) et sa compagne, une petite étoile ancienne qui tourne autour de lui en 11,6 ans, entraînée par sa gravité comme une danseuse par un partenaire qu'on ne voit pas.

Un couple cosmique

Beaucoup d'étoiles appartiennent à des systèmes binaires, voire triples et donc ont une ou deux étoiles partenaires. Dans un système binaire, deux objets tournent l'un autour de l'autre, liés par la gravité. C'est précisément grâce à cette danse que le satellite Gaia a pu détecter BH3 en 2024.

Pas besoin de voir le trou noir pour savoir qu'il est là : le mouvement de l'étoile, sa vitesse, son orbite, trahissent la masse de son partenaire invisible.

Retracer l'enfance d'un trou noir

Comment un monstre pareil a-t-il pu naître ? Pour y répondre, Sophie Van Eck (Institut d'Astronomie et d'Astrophysique de l'ULB, BLU-ULB) et son équipe ont interrogé l'étoile qui l'accompagne, à l'aide du spectrographe UVES du Very Large Telescope de l'Observatoire Européen Austral, au Chili.

Une étoile fonctionne comme une archive : sa lumière garde la trace chimique du gaz dans lequel elle est née. Les chercheurs ont décomposé cette lumière pour analyser 51 éléments chimiques, du lithium à l'uranium.

Le résultat ? L'étoile est extrêmement pauvre en fer : elle s'est donc formée tôt dans l'histoire de la Voie lactée, à une époque où très peu de générations d'étoiles avaient déjà enrichi l'Univers. Mais elle contient aussi des quantités particulières d'éléments lourds, notamment ceux produits par le processus r, un mécanisme nucléaire capable de fabriquer des éléments comme l'europium, l'or ou l'uranium dans des environnements extrêmement violents.

La grande question était alors la suivante : cette étoile a-t-elle été directement « éclaboussée » par l'explosion de l'étoile massive qui a donné naissance au trou noir ? Cette idée est séduisante, mais les indices racontent une autre histoire.

Une étoile née d’un ancien amas d’étoiles

Le trou noir Gaia BH3 semble provenir d'un ancien amas d'étoiles aujourd'hui dispersé, appelé ED-2. Un amas d'étoiles, c'est un groupe d'étoiles nées ensemble, au même endroit, à partir du même nuage de gaz. Avec le temps, la gravité de la galaxie le disperse. Il devient invisible en tant que groupe, mais les étoiles qui en sont issues gardent une signature chimique proche et le même mouvement dans la Voie lactée : elles forment ce que l'on appelle un courant stellaire.

Les chercheurs ont comparé la signature chimique de la compagne de BH3 à celle de quatre autres étoiles de ce courant. Surprise : elles lui ressemblent. L'une d'elles la reproduit même remarquablement bien, une fois pris en compte un mélange différent du gaz enrichi.

Si la compagne avait reçu l'éclaboussure du futur trou noir, elle se distinguerait de ses sœurs : pas de cicatrice individuelle, donc. Sa signature viendrait plutôt du nuage de gaz commun à tout l'amas ED-2, enrichi très tôt par quelques explosions d'étoiles massives et par un événement producteur d'éléments lourds. Un mélange imparfait : selon l'endroit où elles sont nées, les étoiles ont reçu des doses différentes du même cocktail chimique.

Autrement dit, l'étoile ne porte pas la trace directe de la naissance du trou noir. Elle raconte le berceau entier : le nuage de gaz et l'amas dispersé dont le trou noir est très probablement issu lui aussi. En lisant la lumière d'une étoile, les chercheurs remontent une partie de l'histoire ancienne de la Voie lactée.

Des questions à explorer grâce au satellite Gaia

L’étude ne résout pas encore tous les mystères. Le trou noir s’est-il formé en même temps que son actuelle compagne ? L’a-t-il capturée plus tard lors d’interactions dans l’amas ? L’explosion qui a enrichi le gaz est-elle aussi celle qui a créé BH3 ? Plusieurs scénarios restent possibles. Les chercheurs attendent avec impatience la publication des nouvelles données du satellite Gaia, en décembre 2026, et sa moisson de nouveaux trous noirs binaires.

Une étude menée par Grégory Vanden Broeck, Thibault Merle, Mai Nhat Tan et Sophie Van Eck, - Institut d’Astronomie et d’Astrophysique de l’ULB (BLU-ULB), Faculté des Sciences - et publiée dans la revue Astronomy & Astrophysics Letters.