Cette illustration dépeint un homicide cosmique en action. Une étoile capricieuse est déchiquetée par l'intense attraction gravitationnelle d'un trou noir qui contient des dizaines de milliers de masses solaires. Les restes stellaires forment un disque d'accrétion autour du trou noir. Des éruptions de rayons X provenant du disque de gaz surchauffé ont alerté les astronomes de l'emplacement du trou noir; sinon, il se cachait inconnu dans l'obscurité. L'objet insaisissable est classé comme un trou noir de masse intermédiaire (IMBH), car il est beaucoup moins massif que les trous noirs monstrueux qui habitent au centre des galaxies. Par conséquent, Les IMBH sont pour la plupart au repos car ils n'absorbent pas autant de matière, et sont difficiles à trouver. Les observations de Hubble prouvent que l'IMBH réside à l'intérieur d'un amas d'étoiles dense. L'amas lui-même pourrait être le noyau dépouillé d'une galaxie naine. Crédit :NASA, ESA et D. Player (STScI)
Les astronomes ont trouvé la meilleure preuve de l'auteur d'un homicide cosmique :un trou noir d'une classe insaisissable connue sous le nom de "masse intermédiaire, " qui a trahi son existence en déchirant une étoile capricieuse qui passait trop près.
Pesant environ 50, 000 fois la masse de notre Soleil, le trou noir est plus petit que les trous noirs supermassifs (à des millions ou des milliards de masses solaires) qui se trouvent au cœur des grandes galaxies, mais plus gros que les trous noirs de masse stellaire formés par l'effondrement d'une étoile massive.
Ces trous noirs dits de masse intermédiaire (IMBH) sont un "chaînon manquant" recherché depuis longtemps dans l'évolution des trous noirs. Bien qu'il y ait eu quelques autres candidats IMBH, les chercheurs considèrent ces nouvelles observations comme la preuve la plus solide à ce jour des trous noirs de taille moyenne dans l'univers.
Il a fallu la puissance combinée de deux observatoires à rayons X et la vision perçante du télescope spatial Hubble de la NASA pour cerner la bête cosmique.
"Les trous noirs de masse intermédiaire sont des objets très insaisissables, il est donc essentiel d'examiner attentivement et d'exclure des explications alternatives pour chaque candidat. C'est ce que Hubble nous a permis de faire pour notre candidat, " a déclaré Dacheng Lin de l'Université du New Hampshire, chercheur principal de l'étude. Les résultats sont publiés le 31 mars 2020, dans le Lettres de revues astrophysiques .
L'histoire de la découverte se lit comme une histoire de Sherlock Holmes, impliquant la construction méticuleuse étape par étape nécessaire pour attraper le coupable.
Lin et son équipe ont utilisé Hubble pour suivre les pistes de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA et de la mission multi-miroirs à rayons X (XMM-Newton) de l'ESA (Agence spatiale européenne). En 2006, ces satellites ont détecté une puissante éruption de rayons X, mais ils n'ont pas pu déterminer s'il provenait de l'intérieur ou de l'extérieur de notre galaxie. Les chercheurs l'ont attribué à une étoile qui s'est déchirée après s'être trop rapprochée d'un objet compact gravitationnellement puissant, comme un trou noir.
Étonnamment, la source de rayons X, nommé 3XMM J215022.4?055108, n'était pas situé au centre d'une galaxie, où résideraient normalement les trous noirs massifs. Cela a fait naître l'espoir qu'un IMBH était le coupable, mais d'abord une autre source possible de l'éruption de rayons X a dû être exclue :une étoile à neutrons dans notre propre galaxie de la Voie Lactée, refroidir après avoir été chauffé à très haute température. Les étoiles à neutrons sont les restes écrasés d'une étoile explosée.
Hubble a été pointé sur la source de rayons X pour déterminer son emplacement précis. Profond, l'imagerie à haute résolution fournit des preuves solides que les rayons X n'émanent pas d'une source isolée dans notre galaxie, mais plutôt dans un lointain, amas d'étoiles dense à la périphérie d'une autre galaxie - exactement le type d'endroit que les astronomes s'attendaient à trouver un IMBH. Des recherches antérieures de Hubble ont montré que la masse d'un trou noir au centre d'une galaxie est proportionnelle au renflement central de cette galaxie hôte. En d'autres termes, plus la galaxie est massive, plus son trou noir est massif. Par conséquent, l'amas d'étoiles qui abrite 3XMM J215022.4–055108 pourrait être le noyau dépouillé d'une galaxie naine de masse inférieure qui a été perturbée par la gravitation et les marées par ses interactions étroites avec sa plus grande galaxie hôte actuelle.
Cette image du télescope spatial Hubble a identifié l'emplacement d'un trou noir de masse intermédiaire, pesant 50, 000 fois la masse de notre Soleil (ce qui le rend beaucoup plus petit que les trous noirs supermassifs trouvés au centre des galaxies). Le trou noir, nommé 3XMM J215022.4?055108, est indiqué par le cercle blanc. Le type insaisissable de trou noir a été identifié pour la première fois dans une rafale de rayons X révélateurs émis par le gaz chaud d'une étoile alors qu'elle était capturée et détruite par le trou noir. Hubble était nécessaire pour localiser l'emplacement du trou noir en lumière visible. Hubble est profond, L'imagerie à haute résolution montre que le trou noir réside à l'intérieur d'un amas dense d'étoiles bien au-delà de notre galaxie de la Voie lactée. L'amas d'étoiles est à proximité de la galaxie au centre de l'image. Des galaxies d'arrière-plan beaucoup plus petites apparaissent parsemées autour de l'image, y compris une spirale de face juste au-dessus de la galaxie centrale au premier plan. Cette photo a été prise avec l'appareil photo avancé de Hubble pour les enquêtes. Crédit :NASA, ESA et D. Lin (Université du New Hampshire)
Les IMBH ont été particulièrement difficiles à trouver car ils sont plus petits et moins actifs que les trous noirs supermassifs; ils n'ont pas de sources de carburant facilement disponibles, ni une attraction gravitationnelle aussi forte pour attirer des étoiles et d'autres matériaux cosmiques qui produiraient des lueurs de rayons X révélatrices. Les astronomes doivent essentiellement attraper un IMBH en flagrant délit en train d'engloutir une étoile. Lin et ses collègues ont passé au peigne fin les archives de données XMM-Newton, rechercher des centaines de milliers d'observations pour trouver un candidat IMBH.
La lueur des rayons X de l'étoile déchiquetée a permis aux astronomes d'estimer la masse du trou noir de 50, 000 masses solaires. La masse de l'IMBH a été estimée sur la base à la fois de la luminosité des rayons X et de la forme spectrale. "C'est beaucoup plus fiable que d'utiliser la luminosité des rayons X seule comme cela est généralement fait auparavant pour les candidats IMBH précédents, " a déclaré Lin. " La raison pour laquelle nous pouvons utiliser les ajustements spectraux pour estimer la masse IMBH pour notre objet est que son évolution spectrale a montré qu'il a été dans l'état spectral thermique, un état communément observé et bien compris dans l'accrétion de trous noirs de masse stellaire."
This artist's impression depicts a star being torn apart by an intermediate-mass black hole (IMBH), surrounded by an accretion disc. Cette mince, rotating disc of material consists of the leftovers of a star which was ripped apart by the tidal forces of the black hole. Crédit :ESA/Hubble, M. Kornmesser
This object isn't the first to be considered a likely candidate for an intermediate-mass black hole. In 2009 Hubble teamed up with NASA's Swift observatory and ESA's XMM-Newton to identify what is interpreted as an IMBH, called HLX-1, located towards the edge of the galaxy ESO 243-49. It too is in the center of a young, massive cluster of blue stars that may be a stripped-down dwarf galaxy core. The X-rays come from a hot accretion disk around the black hole. "The main difference is that our object is tearing a star apart, providing strong evidence that it is a massive black hole, instead of a stellar-mass black hole as people often worry about for previous candidates including HLX-1, " dit Lin.
Finding this IMBH opens the door to the possibility of many more lurking undetected in the dark, waiting to be given away by a star passing too close. Lin plans to continue his meticulous detective work, using the methods his team has proved successful. Many questions remain to be answered. Does a supermassive black hole grow from an IMBH? How do IMBHs themselves form? Are dense star clusters their favored home?
