Des astrophysiciens américains et australiens ont découvert un candidat pour les trous noirs de masse moyenne. Ils ont obtenu ce nom parce qu'ils sont plus lourds que l'ordinaire - c'est-à-dire ceux formés à la suite de l'effondrement gravitationnel des étoiles - des objets, mais plus légers que les trous noirs supermassifs, généralement situés dans les noyaux actifs des grandes galaxies. L'origine des objets inhabituels n'est toujours pas claire. "Lenta.ru" parle des trous noirs des masses intermédiaires et de la découverte des scientifiques.
La plupart des trous noirs connus des scientifiques - c'est-à-dire des objets que n'importe quelle matière peut laisser (en ignorant les effets quantiques) - sont soit des trous noirs de masse stellaire, soit des trous noirs supermassifs. L'origine de ces objets gravitationnels est à peu près claire pour les astronomes. Les premiers, comme leur nom l'indique, représentent l'étape finale de l'évolution des luminaires lourds, lorsque les réactions thermonucléaires cessent dans leurs profondeurs. Ils sont si lourds qu'ils ne se transforment pas en naines blanches ou en étoiles à neutrons.
Les petites étoiles comme le Soleil se transforment en naines blanches. Leur force de compression gravitationnelle est équilibrée par la répulsion électromagnétique du plasma électron-nucléaire. Dans les étoiles plus lourdes, la gravité est contrainte par la pression de la matière nucléaire, ce qui donne des étoiles à neutrons. Le noyau de ces objets est formé par un liquide neutronique, qui est recouvert d'une fine couche de plasma d'électrons et de noyaux lourds. Enfin, les luminaires les plus lourds se transforment en trous noirs, ce qui est parfaitement décrit par la relativité générale et la physique statistique.
Amas d'étoiles globulaires 47 Toucan
Photo: NASA / ESA / Hubble Heritage
La valeur limite de la masse de la naine blanche, qui l'empêche de se transformer en étoile à neutrons, a été estimée en 1932 par l'astrophysicien indien Subramanian Chandrasekhar. Ce paramètre est calculé à partir de la condition d'équilibre du gaz d'électrons dégénéré et des forces gravitationnelles. La valeur actuelle de la limite de Chandrasekhar est estimée à environ 1,4 masse solaire. La limite supérieure de la masse d'une étoile à neutrons, à laquelle elle ne se transforme pas en trou noir, est appelée limite d'Oppenheimer-Volkov. Elle est déterminée à partir de la condition d'équilibre de la pression du gaz neutronique dégénéré et des forces de gravité. En 1939, les scientifiques ont reçu sa valeur à 0,7 masse solaire; les estimations modernes vont de 1,5 à 3,0.
Les étoiles les plus massives sont 200 à 300 fois plus lourdes que le Soleil. En règle générale, la masse d'un trou noir provenant d'une étoile ne dépasse pas cet ordre de grandeur. À l'autre extrémité de l'échelle se trouvent les trous noirs supermassifs - ils sont des centaines de milliers, voire des dizaines de milliards de fois plus lourds que le Soleil. Habituellement, ces monstres sont situés dans les centres actifs des grandes galaxies et ont une influence décisive sur eux. Bien que l'origine des trous noirs supermassifs soulève également de nombreuses questions, à ce jour, suffisamment de tels objets (plus strictement - candidats pour eux) ont été découverts pour ne pas douter de leur existence.
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Par exemple, au centre de la Voie lactée, à une distance de 7,86 kiloparsecs de la Terre, se trouve l'objet le plus lourd de la Galaxie - le trou noir supermassif Sagittaire A *, qui est plus de quatre millions de fois plus lourd que le Soleil. Dans le grand système stellaire voisin, la nébuleuse d'Andromède, est un objet encore plus lourd: un trou noir supermassif, qui est probablement 140 millions de fois plus lourd que le Soleil. Les astronomes estiment que dans environ quatre milliards d'années, un trou noir supermassif de la nébuleuse d'Andromède en avalera un de la Voie lactée.
Trou noir de masse moyenne (imaginé par l'artiste)
Image: CfA / M. Weiss
Ce mécanisme indique la manière la plus probable de former des trous noirs géants - ils absorbent simplement toute la matière qui les entoure. Cependant, la question demeure: existe-t-il dans la nature des trous noirs de masses intermédiaires - entre stellaires et super-lourds? Les observations de ces dernières années, y compris celles publiées dans le récent numéro de la revue Nature, le confirment. Dans la publication, les auteurs ont rapporté la découverte d'un candidat probable pour des trous noirs de masse moyenne au centre de l'amas d'étoiles globulaires 47 Toucan (NGC 104). Les estimations montrent qu'il est environ 2,2 mille fois plus lourd que le Soleil.
Le Cluster 47 Toucan est situé à 13 mille années-lumière de la Terre dans la constellation du Toucan. Cet ensemble de luminaires liés gravitationnellement se distingue par son grand âge (12 milliards d'années) et sa luminosité extrêmement élevée parmi ces objets (juste derrière l'oméga du Centaure). NGC 104 contient des milliers d'étoiles, confinées à une sphère conditionnelle de 120 années-lumière de diamètre (trois ordres de grandeur plus petits que le diamètre du disque de la Voie lactée). Toujours dans 47 Toucan, il y a une vingtaine de pulsars - ils sont devenus le principal objet de recherche des scientifiques.
Les recherches précédentes au centre de NGC 104 pour trouver un trou noir ont échoué. De tels objets se révèlent de manière indirecte, par les rayons X caractéristiques émanant du disque d'accrétion qui les entoure, formés par le gaz chauffé. Pendant ce temps, le centre de NGC 104 ne contient presque pas de gaz. D'un autre côté, un trou noir peut être détecté par son effet sur les étoiles en rotation dans son voisinage - quelque chose comme cela est possible pour étudier le Sagittaire A *. Cependant, même ici, les scientifiques ont été confrontés à un problème: le centre de NGC 104 contient trop d'étoiles pour pouvoir comprendre leurs mouvements individuels.
Radiotélescope des parcs
Photo: David McClenaghan / CSIRO
Les scientifiques ont tenté de contourner ces deux difficultés, tout en n'abandonnant pas les méthodes habituelles de détection des trous noirs. Premièrement, les astronomes ont analysé la dynamique des étoiles de l'ensemble de l'amas globulaire dans son ensemble, et pas seulement celles qui sont proches de son centre. Pour ce faire, les auteurs ont pris des données sur la dynamique des luminaires de 47 Toucan, recueillies lors d'observations par l'observatoire radio australien de Parkes. Les scientifiques ont utilisé les informations obtenues pour la modélisation informatique dans le cadre du problème gravitationnel de N corps. Il a montré qu'il y a quelque chose au centre de NGC 104 qui ressemble à un trou noir de masse moyenne dans ses caractéristiques. Cependant, cela ne suffisait pas.
Les chercheurs ont décidé de tester leurs découvertes sur les pulsars - des restes compacts d'étoiles mortes, dont les astronomes ont appris à bien suivre les signaux radio. Si NGC 104 contient un trou noir de masse moyenne, alors les pulsars ne peuvent pas être situés trop près du centre de 47 Toucan - et vice versa. Comme prévu par les auteurs, le premier scénario s'est confirmé: la localisation des pulsars dans NGC 104 est bien corrélée au fait qu'il existe un trou noir de masse moyenne au centre de l'amas.
Les auteurs pensent que les objets gravitationnels de ce type peuvent être localisés au centre d'autres amas globulaires - probablement là où ils sont déjà ou pas encore recherchés. Cela exigera un examen attentif de chacun de ces groupes. Quel rôle jouent les trous noirs de masse intermédiaire et comment sont-ils apparus? Ce n'est pas encore connu avec certitude. Malgré les nombreuses options pour leur évolution future, le co-auteur de l'étude, Bulent Kiziltan, estime que «ce sont peut-être les graines originales qui sont devenues les monstres que nous voyons aujourd'hui dans les centres des galaxies».
Yuri Sukhov