Hubble découvre des preuves de l’existence d’un trou noir rare dans Omega Centauri

Une équipe internationale d’astronomes a utilisé plus de 500 images prises par le télescope spatial Hubble de la NASA/ESA sur une période de deux décennies pour détecter sept étoiles se déplaçant rapidement dans la région la plus interne d’Omega Centauri, l’amas globulaire le plus grand et le plus brillant du ciel. Ces étoiles fournissent de nouvelles preuves convaincantes de la présence d’un trou noir de masse intermédiaire.

Les trous noirs de masse intermédiaire (IMBH) sont un « chaînon manquant » recherché depuis longtemps dans l’évolution des trous noirs. Seuls quelques autres candidats IBH ont été découverts à ce jour. La plupart des trous noirs connus sont soit extrêmement massifs, comme les trous noirs supermassifs qui se trouvent au cœur des grandes galaxies, soit relativement légers, avec une masse inférieure à 100 fois celle du soleil.

Les trous noirs sont l’un des environnements les plus extrêmes que l’homme connaisse. Ils constituent donc un terrain d’essai pour les lois de la physique et notre compréhension du fonctionnement de l’univers. Si les IMBH existent, sont-ils courants ? Un trou noir supermassif se développe-t-il à partir d’un IMBH ? Comment les IMBH se forment-ils ? Les amas d’étoiles denses sont-ils leur habitat privilégié ?

Oméga du Centaure est visible à l’œil nu depuis la Terre et est l’un des objets célestes préférés des astronomes amateurs de l’hémisphère sud. Bien que l’amas soit situé à 17 000 années-lumière de la Terre, juste au-dessus du plan de la Voie lactée, il apparaît presque aussi grand que la pleine lune lorsqu’il est observé depuis une zone rurale sombre.

La classification exacte d’Omega Centauri a évolué au fil du temps, à mesure que notre capacité à l’étudier s’est améliorée. Elle a été répertoriée pour la première fois dans le catalogue de Ptolémée il y a près de 2000 ans comme une étoile unique. Edmond Halley l’a décrite comme une nébuleuse en 1677, et dans les années 1830, l’astronome anglais John Herschel a été le premier à la reconnaître comme un amas globulaire.

Les amas globulaires sont généralement constitués d’un million d’étoiles âgées de plus d’un million, étroitement liées entre elles par la gravité. On les trouve à la périphérie et dans les régions centrales de nombreuses galaxies, y compris la nôtre. Omega Centauri présente plusieurs caractéristiques qui le distinguent des autres amas globulaires : il tourne plus vite qu’un amas globulaire ordinaire et sa forme est très aplatie. De plus, Omega Centauri est environ 10 fois plus massif que les autres grands amas globulaires, presque aussi massif qu’une petite galaxie.

Omega Centauri est composé d’environ 10 millions d’étoiles gravitationnellement liées. Une équipe internationale a créé un énorme catalogue des mouvements de ces étoiles, mesurant les vitesses de 1,4 million d’étoiles en étudiant plus de 500 images de l’amas prises par Hubble.

La plupart de ces observations étaient destinées à étalonner les instruments de Hubble plutôt qu’à un usage scientifique, mais elles se sont révélées être une base de données idéale pour les efforts de recherche de l’équipe. Ce vaste catalogue, qui est le plus grand catalogue de mouvements pour un amas d’étoiles à ce jour, sera mis à disposition du public. Il sera publié prochainement. Le Journal d’Astrophysique et l’article est actuellement disponible sur le arXiv serveur de préimpression.

« Nous avons découvert sept étoiles qui ne devraient pas être là », explique Maximilian Häberle, de l’Institut Max Planck d’astronomie en Allemagne, qui a dirigé cette étude. « Elles se déplacent si vite qu’elles devraient s’échapper de l’amas et ne jamais revenir. »

« L’explication la plus probable est qu’un objet très massif attire gravitationnellement ces étoiles et les maintient près du centre. Le seul objet qui puisse être aussi massif est un trou noir, dont la masse est au moins 8 200 fois celle de notre Soleil. »

Plusieurs études ont suggéré la présence d’un IMBH dans Omega Centauri. Cependant, d’autres études ont suggéré que la masse pourrait être apportée par un amas central de trous noirs de masse stellaire, et ont suggéré que l’absence d’étoiles se déplaçant rapidement au-dessus de la vitesse de libération nécessaire rendait un IMBH moins probable en comparaison.

« Cette découverte est la preuve la plus directe jusqu’à présent d’un IMBH dans Omega Centauri », a ajouté Nadine Neumayer, également de l’Institut Max Planck d’astronomie, qui a initié l’étude. « C’est passionnant car il n’existe que très peu d’autres trous noirs connus ayant une masse similaire. Le trou noir d’Omega Centauri pourrait être le meilleur exemple d’un IMBH dans notre voisinage cosmique. »

Si cela se confirme, le trou noir candidat, situé à 17 000 années-lumière de la Terre, serait plus proche que le trou noir de 4,3 millions de masses solaires situé au centre de la Voie lactée, à 26 000 années-lumière de la Terre. Outre le centre galactique, il s’agirait également du seul cas connu d’un certain nombre d’étoiles étroitement liées à un trou noir massif.

L’équipe scientifique espère maintenant caractériser le trou noir. Bien qu’il mesure au moins 8 200 masses solaires, sa masse exacte et sa position exacte ne sont pas entièrement connues. L’équipe a également l’intention d’étudier les orbites des étoiles rapides, ce qui nécessite des mesures supplémentaires des vitesses respectives sur la ligne de visée.

L’équipe a bénéficié du temps accordé par le télescope spatial James Webb de la NASA/ESA/CSA pour faire exactement cela, et a également d’autres propositions en attente pour utiliser d’autres observatoires.

Omega Centauri était également un élément récent d’une nouvelle publication de données de la mission Gaia de l’ESA, qui contenait plus de 500 000 étoiles.

« Même après 30 ans, le télescope spatial Hubble et ses instruments d’imagerie restent l’un des meilleurs outils pour l’astrométrie de haute précision dans les champs stellaires encombrés, des régions où Hubble peut fournir une sensibilité supplémentaire à partir des observations de la mission Gaia de l’ESA », a partagé Mattia Libralato, membre de l’équipe de l’Institut national d’astrophysique d’Italie (INAF), et auparavant d’AURA pour l’Agence spatiale européenne au moment de cette étude.

« Nos résultats mettent en évidence la haute résolution et la sensibilité de Hubble, qui nous offrent de nouvelles perspectives scientifiques passionnantes et donneront un nouvel élan au sujet des IMBH dans les amas globulaires. »