gov-civil-vilareal.ptCet amas d'étoiles est peu à peu envahi par les trous noirs. Dans un milliard d'années, ils le tueront.
>Un lointain amas d'étoiles en orbite autour de notre galaxie a un destin sombre qui l'attend : Il est lentement envahi par les trous noirs, et dans un milliard d'années, au moment où il se dissout enfin dans l'espace, il sera entièrement constitué de trous noirs.
Cela peut sembler étrange, mais en fait, cela peut arriver assez souvent à de tels clusters.
L'objet en question s'appelle Palomar 5. C'est un amas globulaire, qui sont généralement des collections très serrées de centaines de milliers, voire de millions d'étoiles dans une collection grossièrement en forme de boule de quelques dizaines d'années-lumière de diamètre.
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Mais Palomar 5 est bizarre. D'une part, il est très clairsemé, avec seulement environ 1 500 étoiles. Pour un autre, il est exceptionnellement grand, bien au-delà de cent années-lumière. Cela signifie que sa densité est très faible, avec des étoiles distantes de quelques années-lumière en moyenne. C'est similaire aux distances entre les étoiles ici dans les banlieues galactiques où se trouve le Soleil - mais dans un amas globulaire typique, il y a milliers d'étoiles dans ce même espace.
Une carte de Palomar 5 (la tache blanche) et de ses ruisseaux stellaires, utilisant les données du Sloan Digital Sky Survey. Crédit : Max Planck Institut für Astronomie Heidelberg/SDSS
Palomar 5 est dans le halo galactique, à 80 000 années-lumière de nous, bien en dehors du corps principal de la galaxie. De nombreux globulaires orbitent aussi loin, mais ils ne sont pas seuls. Ces dernières années, les astronomes ont découvert ruisseaux stellaires là-bas : de longues et fines banderoles d'étoiles se déplaçant toutes autour de la galaxie le long de la même orbite. On pense que ceux-ci se forment lorsque les étoiles sont retirées des amas globulaires (ou des petites galaxies naines) par la gravité de la Voie lactée. Mais aucun cluster n'a jamais été vu intégré dans ces flux plus éloignés.
Sauf Palomar 5*. Il a d'énormes traînées d'étoiles menant et traînant derrière lui, s'étendant sur plus de 20° dans le ciel (la taille apparente de vos deux poings ensemble à bout de bras). Cela en fait une clé pour comprendre ce qui se passe là-bas.
L'amas globulaire Palomar 5 (la faible collection d'étoiles au milieu) est une collection lâche d'environ 1 500 étoiles à 80 000 années-lumière de la Terre. Crédit : NASA/GSFC/Skyview/SDSS
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Pour essayer de comprendre pourquoi Palomar 5 est si étrange, une équipe d'astronomes l'a attaqué avec la physique . Ils ont utilisé un modèle informatique qui leur permet de simuler ce qui arriverait à un amas sur de longues périodes (depuis sa formation il y a 11 à 12 milliards d'années jusqu'à aujourd'hui et dans le futur) lorsque les étoiles à l'intérieur interagissent gravitationnellement, ainsi que la façon dont les étoiles changent au cours de cette période (ce qu'on appelle évolution stellaire ; les étoiles vieillissent et se transforment en géantes rouges ou alors exploser en supernovae ).
En utilisant divers modèles et hypothèses (comme le nombre d'étoiles avec lesquelles l'amas commence), ils ont pu obtenir un couple qui correspondait assez bien à l'apparence actuelle de l'amas, y compris l'existence des flux. Même si l'amas commence avec des centaines de milliers d'étoiles, il les perd au fil du temps à cause de différents effets. Par exemple, les étoiles massives explosent et forment des étoiles à neutrons ou des trous noirs. Parfois, cela donne à l'objet restant un énorme coup de pied qui peut l'éjecter entièrement du cluster. De plus, les étoiles peuvent quitter l'amas si elles interagissent gravitationnellement avec d'autres étoiles et/ou trous noirs.
Au début, après la formation de l'amas, le nombre de trous noirs augmente à mesure que les étoiles massives explosent pour les former. Puis, au cours des cent millions d'années à venir, le nombre de trous noirs diminue autant d'interactions gravitationnelles sont éjectées du noyau (l'ampleur de cet effet dépend principalement de la densité de l'amas ; plus il est dense, plus il y a d'interactions).
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Schéma de l'orbite de Palomar 5 autour de la Voie lactée, montrant ses courants stellaires et la position du Soleil. Crédit : Max Planck Institut für Astronomie Heidelberg/SDSS Hubble Heritage project (STScI/NASA)
Ce qu'ils ont découvert, cependant, c'est que sur de longues périodes de temps, les trous noirs dans le noyau ont tendance à aider à éjecter les étoiles de l'amas assez efficacement. Cela signifie que la fraction de trous noirs dans l'amas par rapport au nombre total d'étoiles augmente avec le temps. Pour que l'amas ressemble à ce qu'il est maintenant, ils découvrent qu'il doit y avoir plus de 120 trous noirs dans l'amas avec une moyenne d'environ 17 fois la masse du Soleil chacun. Cela représente plus de 20 % de la masse totale de l'amas, bien plus de deux fois plus que prévu pour un amas normal.
C'est pourquoi la grappe est gonflée; les étoiles qu'il contient gagnent de l'énergie orbitale lorsqu'elles interagissent avec les trous noirs ; chaque fois qu'ils se balancent près du noyau de l'amas (mais pas assez près des trous noirs eux-mêmes pour être déchirés), ils reçoivent un coup de pied qui agrandit leurs orbites. Au fil du temps, la grappe gonfle et devient moins dense. Cela permet également à la gravité de la Voie lactée de les éliminer plus facilement, formant les ruisseaux stellaires.
Simulation de l'amas globulaire Palomar 5 montrant des trous noirs (points noirs) et des étoiles (jaunes). Le panneau principal affiche une vue large du cluster. Le coin supérieur gauche présente un gros plan de son noyau et le coin supérieur droit une vue plus large de son orbite autour de la Voie lactée. Au fil du temps, les trous noirs et les étoiles sont éjectés de l'amas, mais les étoiles sortent plus efficacement, laissant les trous noirs derrière. Crédit : Mark Gieles
Ils découvrent que bon nombre des flux observés dans le halo galactique sont des grappes en fin de vie ; dissous à mort par des trous noirs. Pour Palomar 5 en particulier, ils constatent que la fraction des trous noirs augmentera jusqu'à ce que, dans environ un milliard d'années, toutes les étoiles normales disparaissent et que seuls les trous noirs restent, mais à ce moment-là, l'amas sera également dans les derniers stades de la dissolution totale.
Le problème ici est de confirmer ou de réfuter cette idée par l'observation. L'amas est loin et il est difficile de voir les trous noirs eux-mêmes. Ils prédisent que les étoiles de l'amas auront un écart de vitesse orbitale 50 % plus grand que prévu, ce qui pourrait être mesuré. Ils ne s'attendent pas non plus à trouver des étoiles binaires (deux étoiles en orbite l'une autour de l'autre) avec une période supérieure à environ six mois. Tout binaire avec des étoiles plus éloignées que cela sera séparé par les trous noirs, les étoiles envoyées s'envoler. C'est potentiellement observable aussi.
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De plus, la densité d'étoiles dans l'amas et la présence ou l'absence de flux stellaires sont également observables, ce qui permet de trouver plus d'amas comme Palomar 5.
Il y avait un article récemment prédisant beaucoup de trous noirs dans l'amas globulaire NGC 6397, mais il a été plus récemment (et solidement) réfuté par des experts globulaires disant que l'amas n'est pas gonflé et qu'il est peu probable qu'il contienne des trous noirs à tous . Palomar 5 est différent, car il est gonflé. Il y en a peut-être plus dans le halo aussi.
Il y a quelques décennies, on pensait que les amas globulaires étaient tous à peu près les mêmes : le même âge, le même type d'étoiles, les mêmes types d'orbites, etc. Nous savons mieux maintenant. Ils sont variés et divers, et chacun a une histoire à raconter. Palomar 5, aussi étrange soit-il, peut avoir une histoire plus grande et plus emblématique que la plupart.
* Certains ruisseaux sont vus avec des amas, mais ils sont à l'intérieur de la galaxie principale ou à proximité de celle-ci ; dans ce cas, nous parlons de dizaines de milliers d'années-lumière à l'extérieur.
