Hubble de la NASA à la recherche d’un trou noir de taille intermédiaire près de chez lui

Comme d’intenses nids-de-poule gravitationnels dans le tissu de l’espace, pratiquement tous les trous noirs semblent avoir deux tailles : petit et énorme. On estime que notre galaxie est jonchée de 100 millions de petits trous noirs (plusieurs fois la masse de notre Soleil) créés à partir d’étoiles explosées. L’univers dans son ensemble est inondé de trous noirs supermassifs, pesant des millions ou des milliards de fois la masse de notre Soleil et se trouvant au centre des galaxies.

Un chaînon manquant longtemps recherché est un trou noir de masse intermédiaire, pesant entre 100 et 100 000 masses solaires. Comment se formeraient-ils, où traîneraient-ils et pourquoi semblent-ils si rares ?

Les astronomes ont identifié d’autres trous noirs de masse intermédiaire possibles grâce à une variété de techniques d’observation. Deux des meilleurs candidats – 3XMM J215022.4-055108, que Hubble a aidé à découvrir en 2020, et HLX-1, identifié en 2009 – résident dans des amas d’étoiles denses à la périphérie d’autres galaxies. Chacun de ces trous noirs possibles a la masse de dizaines de milliers de soleils et a peut-être déjà été au centre de galaxies naines. L’observatoire à rayons X Chandra de la NASA a également contribué à faire de nombreuses découvertes possibles de trous noirs intermédiaires, y compris un grand échantillon en 2018.

En regardant beaucoup plus près de chez nous, un certain nombre de trous noirs présumés de masse intermédiaire ont été détectés dans des amas d’étoiles globulaires denses en orbite autour de notre galaxie de la Voie lactée. Par exemple, en 2008, les astronomes de Hubble ont annoncé la présence suspectée d’un trou noir de masse intermédiaire dans l’amas globulaire Omega Centauri. Pour un certain nombre de raisons, y compris le besoin de plus de données, ces découvertes et d’autres sur les trous noirs de masse intermédiaire restent encore peu concluantes et n’excluent pas des théories alternatives.

Les capacités uniques de Hubble ont maintenant été utilisées pour se concentrer sur le cœur de l’amas d’étoiles globulaire Messier 4 (M4) afin de chasser les trous noirs avec une plus grande précision que lors des recherches précédentes. “Vous ne pouvez pas faire ce genre de science sans Hubble”, a déclaré Eduardo Vitral du Space Telescope Science Institute à Baltimore, Maryland, auteur principal d’un article qui sera publié dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

L’équipe de Vitral a détecté un possible trou noir de masse intermédiaire d’environ 800 masses solaires. L’objet suspect n’est pas visible, mais sa masse est calculée en étudiant le mouvement des étoiles capturées dans son champ gravitationnel, comme des abeilles grouillant autour d’une ruche. Mesurer leur mouvement prend du temps, et beaucoup de précision. C’est là que Hubble accomplit ce qu’aucun autre télescope actuel ne peut faire. Les astronomes ont examiné 12 années d’observations M4 de Hubble et ont résolu des étoiles ponctuelles.

Son équipe estime que le trou noir dans M4 pourrait représenter jusqu’à 800 fois la masse de notre Soleil. Les données de Hubble ont tendance à exclure des théories alternatives pour cet objet, comme un amas central compact de restes stellaires non résolus comme des étoiles à neutrons, ou des trous noirs plus petits tourbillonnant les uns autour des autres.

“Nous sommes convaincus que nous avons une très petite région avec beaucoup de masse concentrée. Elle est environ trois fois plus petite que la masse noire la plus dense que nous ayons trouvée auparavant dans d’autres amas globulaires”, a déclaré Vitral. “La région est plus compacte que ce que nous pouvons reproduire avec des simulations numériques lorsque nous prenons en compte une collection de trous noirs, d’étoiles à neutrons et de naines blanches ségrégées au centre de l’amas. Ils ne sont pas capables de former une concentration de masse aussi compacte. “

Un regroupement d’objets étroitement liés serait dynamiquement instable. Si l’objet n’est pas un seul trou noir de masse intermédiaire, il faudrait environ 40 trous noirs plus petits entassés dans un espace d’un dixième d’année-lumière seulement pour produire les mouvements stellaires observés. Les conséquences sont qu’ils fusionneraient et/ou seraient éjectés dans un jeu de flipper interstellaire.

“Nous mesurons les mouvements des étoiles et leurs positions, et nous appliquons des modèles physiques qui tentent de reproduire ces mouvements. Nous aboutissons à une mesure d’une extension de masse noire au centre de l’amas”, a déclaré Vitral. “Plus la masse centrale est proche, plus les étoiles se déplacent de manière aléatoire. Et plus la masse centrale est grande, plus ces vitesses stellaires sont rapides.”

Parce que les trous noirs de masse intermédiaire dans les amas globulaires ont été si insaisissables, prévient Vitral, “Bien que nous ne puissions pas affirmer complètement qu’il s’agit d’un point de gravité central, nous pouvons montrer qu’il est très petit. Il est trop petit pour que nous puissions expliquer autrement qu’il s’agit d’un seul trou noir. Alternativement, il pourrait y avoir un mécanisme stellaire que nous ne connaissons tout simplement pas, du moins dans la physique actuelle.

Vidéo: https://youtu.be/uzF3eFN-WdE

Le télescope spatial Hubble est un projet de coopération internationale entre la NASA et l’ESA. Le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, gère le télescope. Le Space Telescope Science Institute (STScI) à Baltimore, Maryland, mène des opérations scientifiques Hubble et Webb. STScI est exploité pour la NASA par l’Association des universités pour la recherche en astronomie, à Washington, DC