Les scientifiques s'attendaient à trouver un trou noir de masse intermédiaire au cœur de l'amas globulaire NGC 6397, mais au lieu de cela, ils ont trouvé des preuves d'une concentration de petits trous noirs qui s'y cachaient. De nouvelles données du télescope spatial NASA/ESA Hubble ont conduit à la première mesure de l'étendue d'une collection de trous noirs dans un amas globulaire dont le cœur s'est effondré. Il s'agit d'une impression d'artiste créée pour visualiser la concentration de trous noirs au centre de NGC 6397. En réalité, les petits trous noirs ici sont bien trop petits pour les capacités d'observation directe de tout télescope existant ou futur prévu, y compris Hubble. Il est prédit que cet amas globulaire effondré pourrait héberger plus de 20 trous noirs. Crédit :ESA/Hubble, N. Bartmann
Les amas globulaires sont des systèmes stellaires extrêmement denses, dans lequel les étoiles sont serrées les unes contre les autres. Ils sont aussi généralement très anciens - l'amas globulaire qui fait l'objet de cette étude, NGC 6397, est presque aussi vieux que l'Univers lui-même. Il réside à 7800 années-lumière, ce qui en fait l'un des amas globulaires les plus proches de la Terre. En raison de son noyau très dense, il s'agit d'un cluster à noyau effondré.
Quand Eduardo Vitral et Gary A. Mamon de l'Institut d'Astrophysique de Paris se sont mis à étudier le cœur de NGC 6397, ils s'attendaient à trouver des preuves d'un trou noir de «masse intermédiaire» (IMBH). Ceux-ci sont plus petits que les trous noirs supermassifs qui se trouvent au cœur des grandes galaxies, mais plus gros que les trous noirs de masse stellaire formés par l'effondrement d'étoiles massives. Les IMBH sont le chaînon manquant tant recherché dans l'évolution des trous noirs et leur simple existence est vivement débattue, bien que quelques candidats aient été trouvés.
Pour rechercher l'IMBH, Vitral et Mamon ont analysé les positions et les vitesses des étoiles de l'amas. Ils l'ont fait en utilisant des estimations précédentes des mouvements propres des étoiles à partir d'images Hubble de l'amas couvrant plusieurs années, en plus des mouvements propres fournis par l'observatoire spatial Gaia de l'ESA, qui mesure précisément les positions, distances et mouvements des étoiles. Connaître la distance à l'amas a permis aux astronomes de traduire les mouvements propres de ces étoiles en vitesses.
"Notre analyse a indiqué que les orbites des étoiles sont proches du hasard dans tout l'amas globulaire, plutôt que systématiquement circulaire ou très allongée, " expliqua Mamon.
L'image de NGC 6397 est composée d'une série d'observations prises de juillet 2004 à juin 2005 avec l'Advanced Camera for Surveys de Hubble. L'équipe de recherche a utilisé la caméra à champ large 3 de Hubble pour mesurer la distance jusqu'à l'amas. Crédit :NASA, ESA, et T. Brown et S. Casertano (STScI). Remerciements :NASA, ESA, et J. Anderson (STScI)
"Nous avons trouvé des preuves très solides d'une masse invisible dans les régions centrales denses de l'amas, mais nous avons été surpris de constater que cette masse supplémentaire n'est pas ponctuelle mais étendue à quelques pour cent de la taille de l'amas, " a ajouté Vitral.
Cette composante invisible ne pouvait être constituée que des restes (naines blanches, étoiles à neutrons, et trous noirs) d'étoiles massives dont les régions internes se sont effondrées sous leur propre gravité une fois leur combustible nucléaire épuisé. Les étoiles se sont progressivement enfoncées vers le centre de l'amas après des interactions gravitationnelles avec des étoiles moins massives voisines, conduisant à la faible étendue de la concentration de masse invisible. En utilisant la théorie de l'évolution stellaire, les scientifiques ont conclu que la majeure partie de la concentration invisible est constituée de trous noirs de masse stellaire, plutôt que des naines blanches ou des étoiles à neutrons trop faibles pour être observées.
Deux études récentes avaient également proposé que les restes stellaires et en particulier, trous noirs de masse stellaire, pourrait peupler les régions internes des amas globulaires.
"Notre étude est la première découverte à fournir à la fois la masse et l'étendue de ce qui semble être une collection de trous noirs pour la plupart dans un amas globulaire effondré, " dit Vitral.
"Notre analyse n'aurait pas été possible sans les données Hubble pour contraindre les régions internes de l'amas et les données Gaia pour contraindre les formes orbitales des étoiles externes, qui à leur tour contraignent indirectement les vitesses des étoiles de premier plan et d'arrière-plan dans les régions intérieures, " ajouta Mamon, attestant d'une collaboration internationale exemplaire.
Les astronomes notent également que cette découverte soulève la question de savoir si les fusions de ces trous noirs très compacts dans des amas globulaires effondrés peuvent être une source importante d'ondes gravitationnelles récemment détectées par l'expérience LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).
