Bolvormige sterrenhopen zijn extreem dichte stellaire systemen, waarin sterren dicht op elkaar staan. Ze zijn ook typisch erg oud - de bolvormige sterrenhoop die de focus van deze studie is, NGC 6397, is bijna net zo oud als het heelal zelf. Het bevindt zich op 7800 lichtjaar afstand, waardoor het een van de dichtstbijzijnde bolvormige sterrenhopen bij de aarde is. Door zijn zeer dichte kern, het staat bekend als een ingestorte kerncluster.

Toen Eduardo Vitral en Gary A. Mamon van het Institut d'Astrophysique de Paris de kern van NGC 6397 gingen bestuderen, ze verwachtten bewijs te vinden voor een 'intermediate-mass' zwart gat (IMBH). Deze zijn kleiner dan de superzware zwarte gaten die in de kernen van grote sterrenstelsels liggen, maar groter dan stellaire zwarte gaten gevormd door de ineenstorting van massieve sterren. IMBH zijn de lang gezochte ontbrekende schakel in de evolutie van zwarte gaten en alleen al hun bestaan ​​​​is fel bediscussieerd, hoewel er enkele kandidaten zijn gevonden.

Om de IMBH te zoeken, Vitral en Mamon analyseerden de posities en snelheden van de sterren van de cluster. Ze deden dit met behulp van eerdere schattingen van de eigenbewegingen van de sterren van Hubble-afbeeldingen van de cluster die meerdere jaren beslaan, naast eigenbewegingen geleverd door ESA's Gaia-ruimteobservatorium, die precies de posities meet, afstanden en bewegingen van sterren. Door de afstand tot de sterrenhoop te kennen, konden de astronomen de eigenbewegingen van deze sterren in snelheden vertalen.

"Onze analyse gaf aan dat de banen van de sterren bijna willekeurig zijn in de bolvormige sterrenhoop, in plaats van systematisch cirkelvormig of zeer langwerpig, ’ legde Mamon uit.

"We hebben zeer sterk bewijs gevonden voor onzichtbare massa in de dichte centrale regio's van het cluster, maar we waren verrast toen we ontdekten dat deze extra massa niet puntvormig is, maar zich uitbreidt tot een paar procent van de grootte van het cluster, ", voegde Vitra toe.

Dit onzichtbare onderdeel kon alleen bestaan ​​uit de restanten (witte dwergen, neutronensterren, en zwarte gaten) van massieve sterren waarvan de binnengebieden onder hun eigen zwaartekracht instortten toen hun nucleaire brandstof op was. De sterren zonken geleidelijk naar het centrum van de cluster na zwaartekrachtinteracties met nabijgelegen minder massieve sterren, wat leidt tot de kleine omvang van de onzichtbare massaconcentratie. Met behulp van de theorie van stellaire evolutie, de wetenschappers concludeerden dat het grootste deel van de onzichtbare concentratie bestaat uit zwarte gaten van stellaire massa, in plaats van witte dwergen of neutronensterren die te zwak zijn om waar te nemen.

Twee recente studies hadden ook voorgesteld dat stellaire overblijfselen en in het bijzonder, stellaire zwarte gaten, zou de binnenste regionen van bolvormige sterrenhopen kunnen bevolken.

"Onze studie is de eerste bevinding die zowel de massa als de omvang geeft van wat lijkt op een verzameling van voornamelijk zwarte gaten in een in de kern ingestorte bolvormige cluster, ' zei Vitra.

"Onze analyse zou niet mogelijk zijn geweest zonder zowel de Hubble-gegevens om de binnenste regio's van de cluster te beperken als de Gaia-gegevens om de orbitale vormen van de buitenste sterren te beperken, die op hun beurt indirect de snelheden van voor- en achtergrondsterren in de binnengebieden beperken, " voegde Mamon toe, getuigt van een voorbeeldige internationale samenwerking.

De astronomen merken ook op dat deze ontdekking de vraag oproept of samensmeltingen van deze dicht opeengepakte zwarte gaten in ingestorte bolvormige clusters een belangrijke bron kunnen zijn van zwaartekrachtsgolven die recentelijk zijn gedetecteerd door het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) experiment.