Des astronomes découvrent un mystérieux trou noir niché dans un amas d’étoiles

Les astronomes ont utilisé le télescope spatial Hubble pour trouver des preuves de l’existence d’un type de trou noir insaisissable, environ 8 000 fois plus massif que notre Soleil.

Ce qui rend ce trou noir spécial est sa taille, selon un rapport sur la découverte dans la revue Nature.

Il est bien plus massif qu’un trou noir ordinaire, celui qui se forme lorsqu’une étoile morte s’effondre sur elle-même. Mais il n’est pas non plus aussi gros que le type de trou noir supermassif qui se cache au centre des galaxies et qui peut contenir des centaines de milliers, voire des millions de soleils.

Les scientifiques sont depuis longtemps à la recherche de trous noirs de taille moyenne comme celui-ci, car leur découverte pourrait faire la lumière sur les innombrables façons dont les trous noirs peuvent se former et sur les raisons pour lesquelles certains se transforment en monstres gargantuesques.

Cependant, malgré de nombreux efforts au fil des années, les scientifiques n’ont pas réussi à trouver d’exemples solides de trous noirs dans la gamme de taille dite intermédiaire, qui inclurait tout trou noir dont la masse se situe entre 100 et 100 000 fois celle du Soleil.

« Les gens se demandent donc s’il est difficile de les trouver parce qu’ils ne sont tout simplement pas là, ou parce qu’il est difficile de les détecter ? », explique Maximilian Häberle de l’Institut Max Planck d’astronomie de Heidelberg, en Allemagne.

Lui et quelques collègues ont récemment décidé de rechercher une telle étoile dans un grand amas d’étoiles brillantes appelé Omega Centauri. Ce nuage sphérique dense, composé de millions d’étoiles, se trouve à environ 17 000 années-lumière de la Terre.

Les trous noirs ne peuvent pas être observés directement, car leur gravité attire tout, y compris la lumière. Mais les chercheurs peuvent observer si la gravité d’un trou noir affecte les objets proches, y compris les étoiles.

Les chercheurs savaient que les étoiles de cet amas particulier étaient observées en permanence par le télescope spatial Hubble, qui prend des images de la région centrale de l’amas chaque année.

« En fait, c’est pour des raisons techniques, pour calibrer les instruments », explique Häberle.

Grâce aux observations de haute qualité réalisées par le télescope sur plus de deux décennies, Häberle et ses collègues ont pu mesurer avec précision le mouvement de 1,4 million d’étoiles de l’amas.

« Notre liste d’étoiles pour lesquelles nous avons mesuré les mouvements est bien plus longue que toutes les autres recherches précédentes », dit-il, ajoutant que les étoiles « se déplacent toutes dans des directions aléatoires et comme un essaim d’insectes ».

Finalement, les chercheurs ont pu identifier sept étoiles au centre qui se déplacent beaucoup plus vite que les autres. Ces étoiles se déplacent tellement vite qu’elles devraient tout simplement disparaître de l’amas d’étoiles et disparaître à jamais.

Le fait qu’ils restent bloqués et concentrés au centre, explique Häberle, « signifie qu’il doit y avoir quelque chose qui les attire gravitationnellement de telle sorte qu’ils ne puissent pas s’échapper. Et le seul objet qui puisse être aussi massif est un trou noir de masse intermédiaire avec une masse minimale d’au moins 8 000 masses solaires. »

Il est peu probable que le trou noir soit plus gros qu’environ 50 000 fois plus massif que le Soleil, dit-il, car si tel était le cas, les scientifiques s’attendraient à ce que beaucoup plus d’étoiles soient affectées par sa gravité.

Il note qu’il y avait déjà eu une affirmation selon laquelle un candidat trou noir de taille intermédiaire avait été trouvé dans cet amas, remontant à 2008, mais cela a été contesté.

Cette fois-ci, dit-il, « je pense que nos preuves sont très solides » en raison des années supplémentaires de données.

De plus, de futures observations avec le télescope spatial James Webb sont déjà prévues, et ce puissant télescope sera capable de rechercher des signes révélateurs de gaz qui se réchauffe lorsqu’il tombe dans le trou noir.

« C’est vraiment passionnant, n’est-ce pas ? C’est seulement le deuxième trou noir où l’on peut voir des étoiles individuelles tourbillonner autour du trou noir », explique Jenny Greene, astrophysicienne à l’université de Princeton.

Elle note que la seule observation similaire est un travail récompensé par le prix Nobel qui a vu des étoiles voler autour du trou noir au centre de notre galaxie, la Voie Lactée, un trou noir supermassif environ quatre millions de fois plus massif que notre Soleil.

« Je pense donc que c’est vraiment un gros problème. Et c’est un trou noir de masse bien plus faible », dit-elle.

Personne ne sait comment un trou noir de cette taille est créé.

Il est possible que de petits trous noirs fusionnent pour former un plus grand. La preuve en est apportée par la détection d’ondes gravitationnelles provenant de la collision de deux trous noirs, un événement qui a donné naissance à un trou noir environ 150 fois plus massif que le Soleil.

Une autre possibilité de formation de trous noirs de taille moyenne, suggérée récemment par les astronomes, serait que de nombreuses étoiles entrent en collision dans un amas dense comme Omega Centauri et deviennent une seule étoile très massive. Plus tard, cette grosse étoile s’effondrerait pour former un trou noir de taille intermédiaire.

Comprendre où se trouvent les trous noirs de taille moyenne et comment ils se développent pourrait aider les scientifiques à comprendre le rôle qu’ils pourraient jouer dans l’évolution de trous noirs encore plus grands qui se trouvent au cœur des galaxies.

Le trou noir récemment découvert « nous apportera des informations importantes sur la manière dont ces grands trous noirs se sont formés et ont grandi », explique Greene.

De tels trous noirs supermassifs semblent être apparus étonnamment tôt après le début de l’univers, seulement quelques centaines de millions d’années après le Big Bang.

C’est ce que révèlent de nouvelles observations réalisées avec le télescope spatial James Webb, qui ont laissé les astronomes perplexes quant à la façon dont un trou noir pouvait devenir aussi grand aussi rapidement.

Avant ces observations, explique Greene, elle pensait que les galaxies se développaient d’abord et que les trous noirs se formaient ensuite en leur centre. « Aujourd’hui, j’en suis moins sûre », dit-elle. « Il existe aujourd’hui des preuves fascinantes montrant que les trous noirs se sont développés plus tôt que leurs galaxies. »

Les trous noirs de taille intermédiaire qui existent aujourd’hui pourraient être des vestiges de ce processus de création précoce des trous noirs, explique Greene, et pourraient fournir des indices sur la façon dont il s’est produit.

« Pour avoir une vue d’ensemble, il nous en faut plus d’un », dit-elle, « mais cela ouvre vraiment la porte. »