Découverte dans Omega Centauri : le chaînon manquant de la formation des trous noirs massifs

Cette découverte est le meilleur candidat pour une classe de trous noirs dont les astronomes croient depuis longtemps à l’existence mais n’ont jamais trouvé : les trous noirs de masse intermédiaire formés aux premiers stades de l’évolution des galaxies.

Visible à l'œil nu sous la forme d'une tache dans le ciel nocturne des latitudes australes, Omega Centauri est un magnifique amas de 10 millions d'étoiles. Observé à travers un petit télescope, il ressemble à d'autres amas globulaires, un assemblage sphérique d'étoiles densément compact dont le noyau est si encombré que les étoiles individuelles se confondent les unes avec les autres.

Cependant, des recherches récentes menées par des équipes de l'Université de l'Utah et de l'Institut Max Planck d'astronomie ont résolu un débat de longue date parmi les astronomes en confirmant qu'Omega Centauri abrite une trou noirLe trou noir semble être le chaînon manquant entre ses parents stellaires et supermassifs : coincé dans un stade intermédiaire d'évolution, il est considérablement moins massif que les trous noirs colossaux que l'on trouve généralement au centre des galaxies. Omega Centauri semble être le noyau d'une petite galaxie distincte dont l'évolution a été interrompue lorsqu'elle a été avalée par la galaxie. voie Lactée.

Position probable du trou noir intermédiaire de l'amas d'étoiles Omega Centauri. De gauche à droite, chaque panneau zoome sur le système. Crédit : ESA/Hubble, NASA, Maximilian Häberle (MPIA)

Découverte révolutionnaire d'un trou noir

« C’est une découverte qui n’arrive qu’une fois dans une carrière. Je suis enthousiasmé par cette découverte depuis neuf mois. Chaque fois que j’y pense, j’ai du mal à dormir », a déclaré Anil Seth, professeur associé d’astronomie à l’Université de l’Utah et co-chercheur principal de l’étude. « Je pense que des affirmations extraordinaires nécessitent des preuves extraordinaires. C’est vraiment une preuve extraordinaire. »

Jusqu'à présent, les astronomes n'avaient pas réussi à détecter clairement ce trou noir. Les mouvements globaux des étoiles de l'amas montraient qu'il y avait probablement une masse invisible près de son centre, mais on ne savait pas s'il s'agissait d'un trou noir de masse intermédiaire ou simplement d'un ensemble de trous noirs stellaires. Peut-être n'y avait-il pas de trou noir central du tout.

« Des études antérieures avaient soulevé des questions cruciales telles que « Où sont donc les étoiles à grande vitesse ? » Nous avons désormais une réponse à cette question et la confirmation qu’Omega Centauri contient un trou noir de masse intermédiaire. À environ 18 000 années-lumière, il s’agit de l’exemple le plus proche connu d’un trou noir massif », a déclaré Nadine Neumayer, chef de groupe à l’Institut Max Planck et responsable de l’étude. À titre de comparaison, le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée se trouve à environ 27 000 années-lumière.

L'article a été publié dans la revue Nature le 10 juillet 2024. Regardez la recherche prendre vie le 8 août 2024, à 19h00, lorsqu'Anil Seth présentera ces découvertes uniques au cinéma IMAX du planétarium Clarke.

Cette vidéo montre schématiquement comment Omega Cen a été observé avec le Le télescope spatial Hubble. On peut voir la position du détecteur de la caméra pendant les 800 images individuelles. À la fin, on voit l'image que les astronomes ont créée à partir des prises de vue. Crédit : M. Häberle (MPIA)

Masses diverses de trous noirs

En astronomie, les trous noirs ont des masses différentes. Les trous noirs stellaires, dont la masse se situe entre une et quelques dizaines de masses solaires, sont bien connus, tout comme les trous noirs supermassifs dont la masse atteint des millions, voire des milliards de soleils. Notre vision actuelle de l'évolution des galaxies suggère que les premières galaxies devaient avoir des trous noirs centraux de taille intermédiaire qui auraient grandi au fil du temps, engloutissant des galaxies plus petites ou en fusionnant avec des galaxies plus grandes.

Les trous noirs de taille moyenne sont notoirement difficiles à trouver. Bien qu’il existe des candidats prometteurs, aucun trou noir de masse intermédiaire n’a été détecté de manière définitive jusqu’à présent.

« Il y a des trous noirs un peu plus lourds que notre Soleil, qui ressemblent à des fourmis ou à des araignées. Ils sont difficiles à repérer, mais on en trouve un peu partout dans l’univers. Il y a aussi des trous noirs supermassifs qui ressemblent à Godzilla au centre des galaxies et qui détruisent tout, et on peut les voir facilement », explique Matthew Whittaker, étudiant de premier cycle à l’Université de l’Utah et co-auteur de l’étude. « Ces trous noirs de masse intermédiaire sont du même niveau que Bigfoot. Les repérer, c’est comme trouver la première preuve de l’existence de Bigfoot : les gens vont paniquer. »

Cette vidéo zoom commence par un aperçu du ciel et se termine par une image du télescope spatial Hubble au centre d'Omega Centauri. Enfin, les orbites des étoiles autour du trou noir sont montrées. Crédit : T. Müller (MPIA/HdA), musique : K. Jäger (MPIA)

Une découverte fondamentale grâce aux données d'archives

Lorsque Seth et Neumayer ont conçu un projet de recherche pour mieux comprendre l'histoire de la formation d'Omega Centauri en 2019, ils ont réalisé qu'ils pourraient régler une fois pour toutes la question du trou noir central de l'amas. S'ils trouvaient des étoiles se déplaçant rapidement autour de son centre, ils auraient la preuve irréfutable, ainsi qu'un moyen de mesurer la masse du trou noir.

Cette recherche ardue fut confiée à Maximilian Häberle, doctorant à l'Institut Max Planck. Häberle dirigea les travaux visant à créer un énorme catalogue des mouvements des étoiles d'Omega Centauri, en 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 images avaient été produites dans le but d'étalonner les instruments de Hubble plutôt que pour une utilisation scientifique. Mais avec leurs vues toujours répétées d'Omega Centauri, elles se sont révélées être l'ensemble de données idéal pour les efforts de recherche de l'équipe.

« Rechercher des étoiles rapides et documenter leur mouvement, c’était comme chercher une aiguille dans une botte de foin », a déclaré Häberle. Au final, Häberle a non seulement obtenu le catalogue le plus complet du mouvement des étoiles d’Omega Centauri, mais il a également trouvé sept aiguilles dans sa botte de foin d’archives – sept étoiles révélatrices de leur mouvement rapide dans une petite région au centre d’Omega Centauri.

Découvrir un trou noir

Les sept étoiles se déplacent rapidement en raison de la présence d'une masse concentrée à proximité. Pour une seule étoile, il serait impossible de dire si elle est rapide parce que sa masse centrale est importante ou parce que l'étoile est très proche de la masse centrale, ou si l'étoile vole simplement en ligne droite, sans masse en vue. Mais sept étoiles de ce type, avec des vitesses et des directions de mouvement différentes, ont permis à l'équipe de séparer les différents effets et de déterminer qu'il y avait est une masse centrale dans Omega Centauri, avec une masse d'au moins 8 200 soleils. Les images n'indiquent aucun objet visible à l'emplacement présumé de cette masse centrale, comme on pourrait s'y attendre pour un trou noir.

L'analyse plus large a également permis à l'équipe de préciser l'emplacement de la région centrale d'Omega Centauri, à 3 mois-lumière de diamètre (sur les images, 3 secondes d'arc). De plus, l'analyse a fourni une assurance statistique : une seule étoile à grande vitesse dans l'image pourrait même ne pas appartenir à Oméga Centauri. Il pourrait s'agir d'une étoile extérieure à l'amas qui passe juste derrière ou devant le centre d'Omega Centauri par hasard. L'observation de sept étoiles de ce type, en revanche, ne peut pas être une pure coïncidence et ne laisse aucune place à d'autres explications qu'un trou noir.

Enfin un trou noir de masse intermédiaire

Au vu de leurs découvertes, l'équipe prévoit désormais d'examiner le centre d'Omega Centauri de manière encore plus détaillée. Seth, de l'Université de l'Utah, dirige un projet qui a obtenu l'autorisation d'utiliser le Télescope spatial James Webb pour mesurer le mouvement à grande vitesse de l'étoile vers ou loin de la Terre, et il existe de futurs instruments (GRAVITY+ à ESOLe télescope MICADO (Extremely Large Telescope) pourrait localiser les étoiles avec encore plus de précision que Hubble. L'objectif à long terme est de déterminer comment les étoiles accélèrent : comment leurs orbites se courbent. Suivre ces étoiles une fois sur toute leur orbite, comme dans les observations récompensées par le prix Nobel près du trou noir au centre de la Voie lactée, est un projet pour les futures générations d'astronomes. La masse plus petite du trou noir d'Omega Centauri implique des échelles de temps dix fois plus grandes que celles de la Voie lactée : des périodes orbitales de plus de cent ans.

Le travail décrit ici a été publié sous le titre M. Häberle et al., « Fast-moving stars around an intermediate-mass black hole in ω Centauri » dans la revue NatureLe catalogue d'étoiles sur lequel le travail est basé a été accepté pour publication sous le titre M. Häberle et al., « oMEGACat II—Photometry and proper motions for 1.4 million stars in Omega Centauri and its rotation in the plan of the sky » dans le Journal d'astrophysique.

Pour en savoir plus sur cette découverte, voir Missing Link Uncovered : Hubble dévoile le trou noir caché d'Omega Centauri.

« oMEGACat II — Photométrie et mouvements propres pour 1,4 million d'étoiles dans Omega Centauri et sa rotation dans le plan du ciel » par Maximilian Häberle, Nadine Neumayer, Andrea Bellini, Mattia Libralato, Callie Clontz, Anil C. Seth, Maria Selina Nitschai, Sebastian Kamann, Mayte Alfaro-Cuello, Jay Anderson, Stefan Dreizler, Anja Feldmeier-Krause, Nikolay Kacharov, Marilyn Latour, Antonino Milone, Renuka Pechetti, Glenn van de Ven, Karina Voggel, Accepté, Journal d'astrophysique.
arXiv:2404.03722

Parmi les autres auteurs figurent les chercheurs de l'Institut Max Plank d'astronomie Antoine Dumont, Callie Clontz (également de l'Université de l'Utah), Anja Feldmeier-Krause (également de l'Université de Vienne) et Maria Selina Nitschai en collaboration avec Andrea Bellini (Institut des sciences du télescope spatial), Mattia Libralato (ESA et INAF Padoue), Holger Baumgardt (Université du Queensland), Mayte Alfaro Cuello (Universidad Central de Chile), Jay Anderson (Space Telescope Science Institute), Nikolay Kacharov (Institut Leibniz d'astrophysique de Potsdam), Sebastian Kamann (Université John Moores de Liverpool), Antonino Milone (Université de Padoue), Renuka Pechetti (Université John Moores de Liverpool) et Glenn van de Ven (Université de Vienne).