samedi 10 septembre 2016

Des centaines de trous noirs pourraient se trouver dans l'amas globulaire atypique NGC 6101


Une étude portant sur l'amas globulaire atypique NGC 6101 vient de montrer qu'il doit posséder plusieurs centaines de trous noirs stellaires, ce que l'on pensait impossible jusqu'alors.




Les amas globulaires sont des groupes sphériques d'étoiles très concentrés dont les milliers ou dizaines de milliers d'étoiles sont généralement très vieilles. La répartition des étoiles est particulière, on parle de  ségrégation" : de par les multiples interactions gravitationnelles qu'elles ont entre elles, les plus légères acquièrent de la vitesse et se retrouvent plutôt à l'extérieur de l'amas, tandis que les plus massives perdent de la vitesse et se retrouvent vers le centre de l'amas globulaire. Les amas globulaires sont en "orbite" autour du centre galactique.
NGC 6101 est un amas globulaire atypique car il a l'apparence d'être jeune : ses étoiles ne paraissent pas avoir subi de ségrégation, étant uniformément réparties dans l'amas. Mais on sait par ailleurs avec l'étude de ses étoiles, qu'il est réellement vieux, avec un âge de l'ordre de celui de notre galaxie : 13 milliards d'années. Par ailleurs, le cœur de NGC 6101 paraît sous-peuplé en étoiles.
L'équipe de l'Université de Surrey a donc eu l'idée, pour comprendre cette anomalie, de recréer numériquement l'amas globulaire NGC 6101 et son évolution dynamique depuis sa naissance. Ils ont ainsi produit des simulations numériques à N corps en introduisant chaque étoile individuelle, ainsi qu'une population de trous noirs, en prenant en compte leur comportements respectifs sur une durée équivalente à 13 milliards d'années. 
En augmentant progressivement le nombre de trous noirs stellaires dans NGC 6101, Miklos Peuten et ses collaborateurs parviennent finalement à retrouver exactement le profil de l'amas aujourd'hui. L'anomalie de la dynamique des étoiles dans NGC 6101 peut donc être un produit de la présence de plusieurs centaines de trous noirs stellaires.

De tels trous noirs sont des objets de quelques masses solaires qui se forment par l'effondrement gravitationnel d'étoiles massives lors de supernovas. Mais on pensait auparavant que ce type de trous noirs devaient être facilement éjectés de l'amas globulaire lors de l'explosion. Si le résultat de Peuten et ses collègues est confirmé par des observations, la formation des trous noirs dans les amas pourrait être à revoir. Ce n'est qu'en 2012 et 2013 que les chercheurs ont trouvé par l'observation des trous noirs dans des amas globulaires (M22 et M63), par l'émission X accompagnant leur accrétion de matière.
Des études antérieures avaient montré que si l'impulsion initiale de la supernova n'était pas suffisante pour éjecter le trou noir d'un amas à sa création, une fraction importante de trous noirs pourraient y être retenus durant 12 milliards d'années. Il semble que cela puisse être le cas dans le cas particulier des amas ayant une grande dimension initiale.
NGC 6101 a aussi une autre particularité, qui est que son orbite galactique est rétrograde, indiquant une probable origine extragalactique. Il a même été suggéré en 2004 que NGC 6101 pourrait provenir de la galaxie naine Canis Major et aurait été "attrapé" par notre Galaxie. Un des indices pour étayer cette hypothèse est que le cœur de grande dimension de cet amas ressemble beaucoup à ce qui est observé dans les amas globulaires de galaxies naines et moins dans ceux de la Voie Lactée.
Les auteurs posent alors la question : pourquoi les amas globulaires des galaxies naines posséderaient-ils plus de trous noirs que ceux des grandes galaxies ? Ils avancent l'hypothèse que le taux de production de trous noirs serait la même, mais c'est la densité plus faible des amas globulaires formés dans les galaxies naines qui induirait une plus grande rétention des trous noirs dans ces amas.

La présence de nombreux trous noirs dans le centre de certains amas globulaires pourrait indiquer que c'est avant tout dans ces régions qu'il faut chercher des sources d'ondes gravitationnelles quand ils se mettent à fusionner... Il faut maintenant trouver leur trace par l'observation, et c'est un peu plus difficile que de faire tourner un code de calcul sur un superordinateur.


Source : 

A stellar-mass black hole population in the globular cluster NGC 6101?
M. Peuten et al.
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society  462-3 (November 01, 2016)
http://dx.doi.org/10.1093/mnras/stw1726


Illustrations :

1) Modèle numérique de NGC 6101, les trous noirs sont représentés par les cercles rouges (University of Surrey)

2) La zone centrale de NGC 6101 imagée par le télescope spatial Hubble (NASA/ESA)