Quand un trou noir se « cache » dans un amas d’étoiles d’une autre galaxie

Pour la première fois, des chercheurs ont détecté un « bébé » trou noir dans une autre galaxie en étudiant les mouvements d’une étoile se trouvant à « proximité ». Pour les scientifiques, cela ouvre la voie à d’autres détections et ainsi à mieux connaitre notre Univers.

Les trous noirs sont parmi les objets les plus denses de notre Univers connu. Il y en a un supermassif au centre de notre galaxie, la Voie lactée : Sagittarius A*, qui pèse la bagatelle de… 4,5 millions de fois la masse de notre Soleil.

C’est loin d’être le seul puisque les galaxies en sont parsemées. Ces monstres stellaires ont une particularité : ils ne sont pas directement visibles puisque même la lumière ne parvient pas à s’échapper de leur champ gravitationnel (en raison de leur masse très importante). Une photo a tout de même été prise par des méthodes détournées.

• Huit télescopes ont capturé la première photo d'un trou noir

Ils sont tellement massifs qu’ils influencent les orbites des autres objets stellaires, notamment les étoiles. C’est de cette manière qu’un nouveau trou noir a récemment été découvert dans le double amas d’étoiles NGC 1850.

Il se trouve à environ 160 000 années-lumière de la Terre dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie voisine de la nôtre. « L’amas principal a environ 50 millions d’années, tandis que le plus petit amas n’a que 4 millions d’années », peut-on lire sur le site de Hubble.

Les astronomes en mode Sherlock Holmes

« Un peu à la manière de Sherlock Holmes traquant une bande de criminels à partir de leurs faux pas, nous examinons chaque étoile de cet amas avec une loupe dans une main, en essayant de trouver des preuves de la présence de trous noirs, mais sans les voir directement », explique Sara Saracino de l’Institut de recherche en astrophysique de l'Université John Moores, au Royaume-Uni.

Ces travaux ont été publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. « C'est la première fois que cette méthode de détection est utilisée pour révéler la présence d'un trou noir en dehors de notre galaxie », explique l’Observatoire européen austral (ESO). Les données utilisées ont été recueillies pendant deux ans par l’instrument MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) du Very Large Telescope (VLT de l'ESO).

Ce n’est pas le seul, deux autres instruments ont été mis à contribution pour arriver à ces conclusions : l’Optical Gravitational Lensing Experiment de l'université de Varsovie et le télescope spatial Hubble de la NASA. Ils ont notamment permis de mesurer la masse de ce trou noir.

L’image ci-dessous est d’ailleurs une superposition des observations réalisées en lumière visible avec le VLT (le grand champ de l'image et les filaments) et Hubble (le centre de l’amas) :

Pas vu, mais pris sur le fait quand même

Continuant de filer la métaphore, il ajoute que « ce premier "criminel" […] s'est avéré être environ onze fois plus massif que notre Soleil ». Le principal indice de sa présence « est l'influence gravitationnelle qu'il exerce sur l'étoile de cinq masses solaires en orbite autour de lui ».

Repérer des trous noirs en dehors de notre galaxie n’a rien de nouveau, les scientifiques en ont déjà détecté plusieurs de « masse stellaire » dans d’autres galaxies. On parle de trous noirs stellaires lorsque l’ordre de grandeur de leur masse est quelques (dizaines de) fois celle de notre étoile.

Les deux méthodes utilisées sont : la détection des rayons X qu’ils émettent lorsqu'ils avalent de la matière et les ondes gravitationnelles générées quand ils entrent en collision entre eux ou avec des étoiles à neutrons.

Mais, « la plupart des trous noirs de masse stellaire ne révèlent pas leur présence par les rayons X ou les ondes gravitationnelles », affirme l’Observatoire européen austral : « La grande majorité d'entre eux ne peuvent être dévoilés que de manière dynamique », ajoute Stefan Dreizler, un des membres de l'équipe de recherche.

« Lorsqu'ils forment un système avec une étoile, ils affectent son mouvement de manière subtile, mais détectable, et nous pouvons alors les trouver en utilisant des instruments très perfectionnés », explique-t-il. Vous l’aurez compris, la précision joue un rôle important puisqu’il s’agit de mesurer de toutes petites perturbations.

On ne « voit » pas le trou noir, mais ses effets.

D’autres détections à venir

Cette première détection en dehors de notre galaxie ouvre une nouvelle voie et « pourrait permettre aux astronomes de trouver beaucoup plus de trous noirs et contribuer à percer leurs mystères ».

Dans le cas de NGC 1850, l’amas n’a que quelques dizaines de millions d’années, soit « un clin d’œil à l’échelle astronomique ». Il s’agit donc d’un « bébé » trou noir. Cette méthode pourrait permettre de découvrir d’autres jeunes trous noirs et ainsi mieux comprendre leur évolution en les comparant avec des trous noirs plus grands et plus matures qui se trouvent dans des amas plus anciens.

Autre point intéressant : « l'étude des caractéristiques démographiques des trous noirs dans les amas d'étoiles améliore notre compréhension de l'origine des sources d'ondes gravitationnelles ». Bref, comme toujours avec la science, cette découverte soulève encore plus de questions qu’elle n’apporte de réponse. 

Sara Saracino promet d’autres découvertes du même genre à venir : « quand on en a trouvé un, on est bien parti pour en découvrir beaucoup d'autres, dans différents amas ».