Hubble de la NASA à la recherche d’un trou noir près de la Terre

Une masse centrale sombre se cache au centre d’une île stellaire scintillante

Les pièges gravitationnels dans l’espace, les trous noirs, existent en différentes tailles. Ou plus exactement, des masses différentes, car elles sont toutes infiniment petites. La première trou noir jamais découvert, en 1971, pesait 21 fois la masse de notre Soleil. Il a été formé par l’explosion et l’effondrement d’une étoile. Des exemples d’une classe complètement différente de trous noirs ont été identifiés dans les années 1960-1970. Ils pesaient des millions à des milliards de fois la masse de notre Soleil. Comme tous les trous noirs supermassifs, ces monstres résident au centre des grandes galaxies.

Ainsi, les trous noirs peuvent être super-gros ou super-petits. Le chaînon manquant est un trou noir de masse intermédiaire, pesant environ 100 à 1 000 fois la masse de notre Soleil. Une poignée ont été trouvés dans d’autres galaxies. Peut-être sont-ils en passe de devenir des trous noirs supermassifs.

Les cœurs des amas stellaires globulaires sont des terrains de chasse pour les trous noirs de masse intermédiaire. Ils sont plus petits que les galaxies et devraient avoir des trous noirs en conséquence plus petits. Plus de 150 de ces collections en forme de boule à neige de centaines de milliers d’étoiles orbitent autour de la nôtre voie Lactée Galaxy, comme des satellites artificiels tourbillonnant autour de la Terre. Les recherches de trous arrière de masse intermédiaire dans ces amas ont été insaisissables. Le trou noir central suspecté ne peut pas être observé directement, bien sûr. Les astronomes recueillent des preuves circonstancielles en regardant les étoiles grouiller autour du trou noir, comme des abeilles autour d’une ruche. Sur la base de leurs vitesses, la masse centrale invisible peut être calculée à l’aide des lois physiques newtoniennes simples.

Suivre les étoiles est un travail minutieux taillé pour le Le télescope spatial Hubblela résolution nette et la longévité. Les astronomes examinant plus d’une décennie d’observations de Hubble sur l’amas d’étoiles globulaire voisin Messier 4 ont calculé qu’il existe un objet central très dense d’environ 800 masses solaires. Il est si compact que les observations tendent à écarter les théories alternatives quant à ce qui se passe au cœur du cluster.

Il s’agit d’une simulation des mouvements d’étoiles autour d’un trou noir présumé au cœur de l’amas globulaire M4. Il est basé sur le «HST Legacy Survey of Galactic Globular Clusters: Shedding UV Light on Their Populations and Formation», qui comprend la cinématique interne des amas stellaires. Après le zoom sur M4, le centre de l’amas, où réside le trou noir suspecté, est mis en évidence par un “X” rouge. Le cercle rouge a un rayon d’un peu moins de 1 année-lumière à travers. C’est la sphère d’influence du trou noir putatif de masse intermédiaire. Estimé à 800 masses solaires, le trou noir a un horizon des événements qui fait un peu plus de la moitié du diamètre de notre lune. La sphère d’influence du trou noir est la région où son potentiel gravitationnel domine le potentiel gravitationnel du champ d’étoiles. C’est une région où les mouvements stellaires sont significativement affectés par l’attraction gravitationnelle du trou noir. Seule la résolution précise de Hubble peut tracer ce mouvement sur plus d’une décennie d’observation. Les étoiles se déplaçant le plus rapidement dans cette vidéo ne sont pas dans l’amas, mais sont beaucoup plus proches de nous, au premier plan des étoiles de la Voie lactée. Crédit: NasaESA, Mattia Libralato (AURA/STScI pour l’ESA)

Le télescope spatial Hubble recherche un trou noir de taille intermédiaire près de chez lui

Les astronomes utilisant le télescope spatial Hubble de la NASA ont trouvé ce qu’ils disent être l’une de leurs meilleures preuves à ce jour de la présence d’une classe rare de trous noirs “de taille intermédiaire” qui pourraient se cacher au cœur de l’amas d’étoiles globulaire le plus proche de la Terre. . , situé à 6 000 années-lumière.

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 publié aujourd’hui (23 mai 2023) 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. C’est environ trois fois plus petit 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 nous retrouvons avec une mesure d’une extension de masse noire au centre de l’amas », a déclaré Vitral. « Plus on se rapproche de la masse centrale, 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, Vitral met en garde : « 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. C’est trop petit pour que nous puissions l’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.

Référence : « Une masse centrale sombre insaisissable dans l’amas globulaire M4 » par Eduardo Vitral, Mattia Libralato, Kyle Kremer, Gary A Mamon, Andrea Bellini, Luigi R Bedin et Jay Anderson, 23 mai 2023, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stad1068

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