À environ 16 000 années-lumière de la Terre se trouve un globe sphérique de millions d'étoiles remontant aux premières années de l'univers. Ce groupe dense, appelé 47 Tucanae, a un rayon d’environ 200 années-lumière et est l’un des groupes les plus brillants de notre ciel nocturne. À l’intérieur du 47 Tucanae, des forces gravitationnelles intenses ont trié les étoiles dans le temps, repoussant les étoiles moins denses vers l’extérieur et créant un noyau interne très dense qui résiste aux regards extérieurs.
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"L'étude des agrégats globulaires est un défi notoire", déclare Bülent Kiziltan, astrophysicien au Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian. Il y a tellement d'étoiles entassées les unes à côté des autres, dit-il, qu'il est presque impossible de capter le rayonnement du centre. Ainsi, bien que les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que 47 Tucanae pourrait contenir un trou noir en son centre, contrairement à de nombreux autres groupes globulaires, ils n’ont pas été en mesure de le prouver.
Dans une étude publiée hier dans la revue Nature, Kiziltan et ses collègues ont aidé à fouiller au cœur de 47 Tucanae afin de trouver le premier d'une nouvelle classe de trous noirs de taille moyenne.
En dépit de leur nom, les trous noirs ne sont pas si noirs, dit Kiziltan. Alors qu’ils déchirent des étoiles qui n’ont pas la chance de se promener, ils forment autour de eux un disque de gaz chauds et brillants appelé disque d’accrétion. Les trous noirs ne laissent aucune lumière visible s'échapper, mais ils émettent généralement des rayons X lorsqu'ils consomment ces gaz. Cependant, 47 Tucanae est si dense qu'il ne reste plus de gaz en son centre pour le trou noir.
Kiziltan a utilisé son expertise dans un autre type d'objet spatial insolite, les pulsars, pour essayer une nouvelle façon de détecter ces types de trous noirs insaisissables.
Les pulsars "nous fournissent une plate-forme que nous pouvons utiliser pour étudier des changements très minutieux de l'environnement", a déclaré Kiziltan. Ces étoiles, qui émettent des "impulsions" de rayonnement à intervalles très réguliers, peuvent être utilisées comme points de référence pour cartographier les formations cosmiques, y compris les amas globulaires; Kiziltan les compare à des "horloges atomiques cosmiques".
Avec deux douzaines de pulsars sur les bords de 47 Tucanae comme guides, Kiziltan et son équipe ont été capables de créer des simulations de l'évolution du cluster globulaire au fil du temps, et notamment de la manière dont les étoiles plus denses et moins denses se sont alignées sur leurs positions actuelles.
Selon Kiziltan, ces simulations étaient une entreprise gigantesque, qui nécessitait environ six à neuf mois, même sur des ordinateurs extrêmement puissants. C’est pourquoi il n’était pas ravi, at-il dit, lorsque des critiques de Nature ont demandé de nouvelles simulations qui ont finalement pris une année supplémentaire.
Mais cet effort en valait la peine, dit Kiziltan, car il a abouti à quelque chose d'inédit: la première découverte d'un trou noir à l'intérieur d'un groupe globulaire. Après avoir effectué des centaines de simulations, dit-il, le seul scénario possible qui pourrait conduire au développement du Tucanae à 47 unités actuel consistait en un trou noir au centre dense et sans gaz de la grappe mondiale. Cet environnement auparavant inconnu pour un trou noir ouvre de nouveaux endroits pour les chercher, dit Kiziltan.
"On ne peut qu'imaginer ce qui se cache dans les centres d'autres clusters mondiaux", a déclaré Kiziltan.
Ce qui est également excitant, note Kiziltan, est la taille du trou noir prédite par ses simulations. Jusqu'à présent, les scientifiques ont pour la plupart trouvé de petits trous noirs (ceux qui ont à peu près la taille des étoiles qui se sont effondrées pour les former) et des trous noirs supermassifs (des milliers de fois plus grandes que notre Soleil). Les trous noirs de taille intermédiaire ont surtout échappé aux scientifiques, mais pas faute d'essayer.
Le trou noir prédit au centre de 47 Tucanae se situe dans ce terrain d'entente rare, dit Kiziltan. Une étude plus approfondie de ce trou noir potentiel pourrait permettre de mieux comprendre comment et pourquoi se forment ces types de trous noirs en grande partie inconnus.
Peut-être encore plus important que les découvertes elles-mêmes est la façon dont Kiziltan et son équipe sont arrivés à eux. Kiziltan et ses collaborateurs ont puisé dans une théorie mathématique développée dans les années 1950 par deux cryptographes américains pour aider à cartographier les distributions probables d'étoiles dans 47 Tucanae. "Ils ont mis au point cette méthode mathématique pour rassembler des informations incomplètes afin d’avoir une vue d’ensemble", explique Kiziltan.
Kiziltan s'emploie à affiner sa nouvelle approche et à utiliser cette nouvelle méthode pour examiner d'autres populations d'étoiles à la recherche de trous noirs inédits. De nouveaux ordinateurs scientifiques puissants et d’autres instruments qui seront mis en ligne dans les années à venir faciliteront cette quête, a-t-il déclaré.
"Nous avons accompli beaucoup de choses pour la première fois dans ce travail", a déclaré Kiziltan. Dans le même temps, «il reste encore tellement de choses à faire».
