Omega Centauri : un noyau de galaxie figé dans le temps révèle son trou noir

Les chercheurs ont confirmé une masse intermédiaire trou noir au centre d'Omega Centauri, soutenant les théories de son origine en tant que noyau de galaxie distinct fusionné avec le voie Lactée.

Des étoiles rapides récemment identifiées dans l’amas d’étoiles Oméga du Centaure apportent des preuves solides de l’existence d’un trou noir central dans l’amas. Avec au moins 8 200 masses solaires, il est le meilleur candidat pour une classe de trous noirs dont les astronomes ont longtemps cru à l’existence : les trous noirs de masse intermédiaire, formés aux premiers stades de l’évolution des galaxies. Cette découverte renforce l’hypothèse selon laquelle Oméga du Centaure serait la région centrale d’une galaxie qui a été engloutie par la Voie lactée il y a des milliards d’années. Dépouillé de ses étoiles extérieures, ce noyau de galaxie est resté « figé dans le temps » depuis lors. L’étude a été publiée dans la revue Nature.

De gauche à droite : l'amas globulaire Omega Centauri dans son ensemble, une version agrandie de la zone centrale et la région au centre avec l'emplacement du trou noir de taille moyenne identifié dans la présente étude. Crédit : ESA/Hubble, NASA, Maximilian Häberle (MPIA)

À la découverte du cœur d'Omega Centauri

Omega Centauri est un amas spectaculaire d'environ dix millions d'étoiles, visible sous la forme d'une tache dans le ciel nocturne depuis les latitudes australes. À travers un petit télescope, il ne se distingue pas des autres amas globulaires : un amas sphérique d'étoiles, si dense vers le centre qu'il devient impossible de distinguer les étoiles individuellement.

Mais une nouvelle étude, dirigée par Maximilian Häberle (Institut Max Planck d’astronomie), confirme ce que les astronomes soupçonnaient depuis longtemps : Omega Centauri abrite un trou noir central. Ce dernier semble être le « chaînon manquant » entre ses parents stellaires et supermassifs : bloqué à un stade intermédiaire de son évolution, il est considérablement moins massif que les trous noirs typiques du centre des galaxies. Omega Centauri semble être le noyau d’une petite galaxie distincte dont l’évolution a été interrompue lorsque la Voie lactée l’a avalé.

Le spectre du trou noir

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 masses solaires. Notre vision actuelle de l'évolution des galaxies suppose que les premières galaxies devaient avoir des trous noirs centraux de taille intermédiaire, qui auraient grandi au fil du temps au fur et à mesure de l'évolution de ces galaxies, engloutissant des galaxies plus petites (comme l'a fait notre Voie lactée) ou en fusionnant avec des galaxies plus grandes.

Les trous noirs de taille moyenne sont notoirement difficiles à trouver. Les galaxies comme notre Voie lactée ont depuis longtemps dépassé cette phase intermédiaire et contiennent désormais des trous noirs centraux beaucoup plus grands. Les galaxies qui sont restées petites (« galaxies naines ») sont généralement difficiles à observer. Avec la technologie actuelle, les observations de leurs régions centrales qui pourraient détecter le trou noir central sont extrêmement difficiles. Bien qu’il existe des candidats prometteurs, aucun trou noir de masse intermédiaire de ce type n’a été détecté de manière définitive – jusqu’à présent.

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

Une galaxie (noyau) figée dans le temps

C’est là que Omega Centauri est spécial. S’il s’agissait autrefois du noyau d’une galaxie distincte, qui a ensuite fusionné avec la Voie lactée et a perdu toutes ses étoiles à l’exception de son groupe central, le noyau galactique restant et son trou noir central seraient « figés dans le temps » : il n’y aurait plus de fusions et le trou noir central n’aurait aucun moyen de grandir. Le trou noir serait préservé à la taille qu’il avait lorsque Omega Centauri a été englouti par la Voie lactée, offrant un aperçu du chaînon manquant entre les premiers trous noirs de faible masse et les trous noirs supermassifs ultérieurs.

Pour tester cette hypothèse, il faudrait détecter un trou noir central dans Omega Centauri, et jusqu'à présent, les astronomes n'avaient pas réussi à le détecter avec certitude. Bien que des modèles à grande échelle aient permis de mettre en évidence le mouvement des étoiles dans l'amas, ces preuves laissaient planer le doute : il n'y avait peut-être pas de trou noir central du tout.

Cette vidéo montre schématiquement comment Omega Cen a été observé avec 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)

Une percée dans la détection des trous noirs

Lorsque Nadine Neumayer, chef de groupe à l'Institut Max Planck d'astronomie, et Anil Seth de l'Université de l'Utah ont conçu un projet de recherche visant à mieux comprendre l'histoire de la formation d'Omega Centauri en 2019, ils ont réalisé qu'il s'agissait là d'une opportunité de régler une fois pour toutes la question du trou noir central de l'amas : s'ils étaient capables d'identifier les étoiles se déplaçant rapidement attendues autour d'un trou noir au centre d'Omega Centauri, ce serait 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 d'astronomie. 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 avérées être l'ensemble de données idéal pour les efforts de recherche de l'équipe.

Häberle explique : « Rechercher des étoiles rapides et documenter leur mouvement, c’était comme chercher une aiguille dans une botte de foin. » Mais au final, Häberle avait non seulement le catalogue le plus complet du mouvement des étoiles d’Omega Centauri (publié dans un article séparé), mais il avait également trouvé non pas une, mais sept aiguilles dans sa botte de foin d’archives : sept étoiles révélatrices de leur évolution rapide dans une petite région au centre d’Omega Centauri.

Découvrir un trou noir

Ces étoiles rapides le sont 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 Häberle et à ses collègues de séparer les différents effets et de déterminer qu’il existe 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 non seulement permis à Häberle de déterminer avec précision les vitesses de ses sept étoiles à grande vitesse, mais aussi de déterminer précisément où se trouve la région centrale, d'un diamètre de trois mois-lumière (sur les images, trois secondes d'arc), au sein d'Omega Centauri. De plus, l'analyse a fourni des informations statistiques rassurantes : une seule étoile à grande vitesse sur l'image pourrait même ne pas appartenir à Omega 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. Les observations de sept de ces étoiles, en revanche, ne peuvent pas être une pure coïncidence et ne laissent aucune place à d'autres explications qu'un trou noir.

Enfin un trou noir de masse intermédiaire

Neumayer déclare : « Des études antérieures avaient soulevé des questions cruciales telles que « Où sont donc les étoiles à grande vitesse ? ». Nous avons maintenant une réponse à cette question et la confirmation qu’Omega Centauri contient un trou noir de masse intermédiaire. À une distance d’environ 18 000 années-lumière, il s’agit de l’exemple le plus proche connu d’un trou noir massif. » Le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée se trouve à une distance d’environ 27 000 années-lumière. Cette détection promet non seulement de résoudre le débat qui dure depuis une décennie sur un trou noir de masse intermédiaire dans Omega Centauri, mais elle fournit également le meilleur candidat jusqu’à présent pour la détection d’un trou noir de masse intermédiaire en général.

Au vu de leurs résultats, Neumayer, Häberle et leurs collègues prévoient désormais d'examiner le centre d'Omega Centauri de manière encore plus détaillée. Ils ont déjà obtenu l'autorisation de mesurer le mouvement à grande vitesse de l'étoile vers ou loin de la Terre (vitesse de visée) à l'aide de la Télescope spatial James Webbet il y a des instruments du futur (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.

Informations d'arrière-plan

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

Les scientifiques du MPIA impliqués sont Maximilian Häberle, Nadine Neumayer, Antoine Dumont, Callie Clontz (également Université de l'Utah), Anja Feldmeier-Krause (également Université de Vienne) et Maria Selina Nitschai, en collaboration avec Anil Seth (Université de l'Utah), Andrea Bellini (Institut des sciences du télescope spatial), Mattia Libralato (ESA et INAF Padoue), Holger Baumgardt (Université du Queensland), Matthew Whitaker (Université de l'Utah), 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).