Des astronomes utilisant l'instrument MUSE de l'ESO sur le Very Large Telescope au Chili ont découvert une étoile dans l'amas NGC 3201 qui se comporte très étrangement. Il semble être en orbite autour d'un trou noir invisible avec environ quatre fois la masse du Soleil - le premier trou noir de masse stellaire inactif trouvé dans un amas globulaire et le premier trouvé en détectant directement son attraction gravitationnelle. Cette découverte importante a un impact sur notre compréhension de la formation de ces amas d'étoiles, trous noirs, et les origines des événements d'ondes gravitationnelles.

Les amas d'étoiles globulaires sont d'énormes sphères de dizaines de milliers d'étoiles qui orbitent autour de la plupart des galaxies. Ils font partie des plus anciens systèmes stellaires connus de l'Univers et remontent au début de la croissance et de l'évolution des galaxies. Plus de 150 sont actuellement connus pour appartenir à la Voie lactée.

Un cluster particulier, appelé NGC 3201 et situé dans la constellation australe de Vela (Les Voiles), a maintenant été étudié à l'aide de l'instrument MUSE sur le Very Large Telescope de l'ESO au Chili. Une équipe internationale d'astronomes a découvert que l'une des étoiles de NGC 3201 se comporte de manière très étrange - elle est projetée d'avant en arrière à des vitesses de plusieurs centaines de milliers de kilomètres par heure, avec le modèle se répétant tous les 167 jours.

Auteur principal Benjamin Giesers (Georg-August-Universität Göttingen, Allemagne) a été intrigué par le comportement de l'étoile :« Elle était en orbite autour de quelque chose qui était complètement invisible, qui avait une masse plus de quatre fois supérieure à celle du Soleil, cela ne pouvait être qu'un trou noir ! Le premier trouvé dans un amas globulaire en observant directement son attraction gravitationnelle."

La relation entre les trous noirs et les amas globulaires est importante mais mystérieuse. En raison de leurs grandes masses et de leurs grands âges, On pense que ces amas ont produit un grand nombre de trous noirs de masse stellaire, créés lorsque des étoiles massives en leur sein ont explosé et se sont effondrées au cours de la longue durée de vie de l'amas.

L'instrument MUSE de l'ESO offre aux astronomes une capacité unique de mesurer les mouvements de milliers d'étoiles lointaines en même temps. Avec cette nouvelle découverte, l'équipe a pour la première fois pu détecter un trou noir inactif au cœur d'un amas globulaire, qui n'avale actuellement pas de matière et n'est pas entouré d'un disque de gaz incandescent. Ils ont pu estimer la masse du trou noir grâce aux mouvements d'une étoile prise dans son énorme attraction gravitationnelle.

D'après ses propriétés observées, l'étoile a été déterminée à environ 0,8 fois la masse de notre Soleil, et la masse de son mystérieux homologue a été calculée à environ 4,36 fois la masse du Soleil, presque certainement un trou noir.

Détections récentes de sources radio et rayons X dans des amas globulaires, ainsi que la détection en 2016 de signaux d'ondes gravitationnelles produits par la fusion de deux trous noirs de masse stellaire, suggèrent que ces trous noirs relativement petits peuvent être plus fréquents dans les amas globulaires qu'on ne le pensait auparavant.

Giesers conclut :« Jusqu'à récemment, on supposait que presque tous les trous noirs disparaîtraient des amas globulaires après un court laps de temps et que des systèmes comme celui-ci ne devraient même pas exister ! Mais ce n'est clairement pas le cas :notre découverte est la première détection directe des effets gravitationnels d'un trou noir de masse stellaire dans un amas globulaire. Cette découverte aide à comprendre la formation des amas globulaires et l'évolution des trous noirs et des systèmes binaires, ce qui est vital dans le contexte de la compréhension des sources d'ondes gravitationnelles."

Cette recherche a été présentée dans un article intitulé "A stellar-mass blackhole candidat in the globular cluster NGC 3201", par B. Giesers et al., paraître dans le journal Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .