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Découverte : un amas de trous noirs au cœur d’un amas globulaire

Crédits : ESA / Hubble, N. Bartmann

En examinant le noyau d’un amas globulaire “proche” de la Terre, les astronomes s’attendaient à tomber sur un objet insaisissable : un trou noir de masse intermédiaire. Finalement, ils sont tombés sur une concentration de petits trous noirs de masse stellaire. Les détails de l’étude sont publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Les amas globulaires sont des concentrations de centaines de milliers d’étoiles confinées dans une sphère dont la taille varie d’une vingtaine à quelques centaines d’années-lumière. Toutes ses étoiles se sont formées en même temps, à partir du même nuage de gaz. On dénombre actuellement environ 150 de ces amas dans la Voie lactée, mais il pourrait y en avoir davantage. Enfin, ces objets sont souvent considérés comme des “fossiles” dans la mesure où la plupart se sont formés très tôt dans l’Univers.

Trou noir de masse intermédiaire

Retrouvé à environ 7 800 années-lumière de la Terre, NGC 6397 est l’un de ces amas. C’est également l’un des plus proches de la Terre. Récemment, Eduardo Vitral et Gary A. Mamon, de l’Institut d’Astrophysique de Paris, se sont intéressés à lui pour sonder la présence éventuelle d’un objet très rare à  l’intérieur : un trou noir de masse intermédiaire.

Comme leur nom l’indique, ces “poids moyens” se situent entre les trous noirs de masse stellaire (jusqu’à cent masses solaires) et les supermassifs (plusieurs millions, voire milliards de masses stellaires), retrouvés au centre des galaxies.

D’après les auteurs, ces objets “intermédiaires” pourraient être dénichés dans le noyau gravitationnel des amas globulaires, autour duquel les étoiles se rallient. Les propriétés de NGC 6397 laissaient également à penser qu’il pourrait y avoir l’un de ces “poids moyens” en son centre.

amas globulaire
L’image NGC 6397 photographié entre juillet 2004 et juin 2005 par Hubble. Crédits : NASA, ESA/T. Brown et S. Casertano (STScI)

Une multitude de petits trous noirs

Pour sonder l’éventuelle présence d’un tel objet, les chercheurs se sont appuyés sur des images de l’amas capturées par Hubble sur plusieurs années. Ils ont également combiné ces données avec celles recueillies par le satellite Gaia, de l’ESA, qui examine les positions, distances et mouvements des étoiles. Grâce à toutes ces informations, les chercheurs ont pu estimer la distribution de masse à l’intérieur de cet amas.

Nous avons trouvé des preuves très solides d’une masse invisible dans le noyau dense de l’amas globulaire“, a confirmé l’astronome Eduardo Vitral. “En revanche, nous avons été surpris de constater que cette masse supplémentaire n’était pas contenue en un point bien précis, mais distribuée sur une plus grande étendue (quelques pourcentages de la taille de l’amas)“.

Nous savons que les étoiles “mortes”, telles que les naines blanches, les étoiles à neutrons et les trous noirs, sont plus denses que les étoiles de la séquence principale. En conséquence, elles se déplacent vers l’intérieur de ces amas, envoyant les étoiles moins denses vers l’extérieur.

Ici, les calculs des chercheurs ont permis de constater que cette masse invisible distribuée au centre de l’amas était non pas un trou noir de masse intermédiaire, ni une collection de naines blanches ou d’étoiles à neutrons, mais bien une concentration de trous noirs de masse stellaire.

Notre étude est la première à fournir à la fois la masse et l’étendue de ce qui semble être une collection de trous principalement noirs au centre d’un amas globulaire effondré“, souligne Eduardo Vitral.

Des fusions à venir ?

Ces travaux seront utiles pour l’avenir dans la mesure où nous savons désormais que plusieurs trous noirs de masse stellaire peuvent se retrouver confinés au centre des amas globulaires. Partant de ce principe, les astronomes pourront affiner leurs recherches en excluant les amas qui se comportent de la même manière.

Nous pourrions également imaginer que tous ces petits trous noirs pourraient s’enrouler les uns autour des autres pour, à terme, finir par fusionner. En conséquence, ils pourraient donc donner naissance à trou noir de masse intermédiaire. Entre-temps, les processus menant à ces fusions pourraient également générer des ondes gravitationnelles pouvant être captées par nos instruments.