La galaxie 3C186, situé à environ 8 milliards d'années-lumière de la Terre, est probablement le résultat de la fusion de deux galaxies. Ceci est soutenu par des queues de marée en forme d'arc, généralement produit par un remorqueur gravitationnel entre deux galaxies en collision, identifiés par les scientifiques. La fusion des galaxies a également conduit à une fusion des deux trous noirs supermassifs en leurs centres, et le trou noir résultant a ensuite été expulsé de sa galaxie mère par les ondes gravitationnelles créées par la fusion. Crédit :NASA, ESA, et M. Chiaberge (STScI/ESA)
Les astronomes ont découvert un trou noir supermassif qui a été propulsé hors du centre d'une galaxie lointaine par ce qui pourrait être la puissance impressionnante des ondes gravitationnelles.
Bien qu'il y ait eu plusieurs autres suspects, des trous noirs amorcés de la même manière ailleurs, aucun n'a été confirmé jusqu'à présent. Les astronomes pensent que cet objet, détecté par le télescope spatial Hubble de la NASA, est un cas très solide. Pesant plus d'1 milliard de soleils, le trou noir voyou est le trou noir le plus massif jamais détecté pour avoir été expulsé de sa maison centrale.
Les chercheurs estiment qu'il a fallu l'équivalent d'énergie de 100 millions de supernovas explosant simultanément pour larguer le trou noir. L'explication la plus plausible de cette énergie propulsive est que l'objet monstre a reçu un coup de fouet par les ondes gravitationnelles déclenchées par la fusion de deux gros trous noirs au centre de la galaxie hôte.
Prédit pour la première fois par Albert Einstein, les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l'espace qui sont créées lorsque deux objets massifs entrent en collision. Les ondulations sont similaires aux cercles concentriques produits lorsqu'une grosse pierre est jetée dans un étang. L'année dernière, le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a aidé les astronomes à prouver que les ondes gravitationnelles existent en les détectant émanant de l'union de deux trous noirs de masse stellaire, qui sont plusieurs fois plus massives que le soleil.
Les observations de Hubble sur le trou noir capricieux ont surpris l'équipe de recherche. "Quand j'ai vu ça pour la première fois, Je pensais que nous voyions quelque chose de très particulier, " a déclaré le chef d'équipe Marco Chiaberge du Space Telescope Science Institute (STScI) et de l'Université Johns Hopkins, à Baltimore, Maryland. "Lorsque nous avons combiné les observations de Hubble, l'observatoire de rayons X Chandra, et le Sloan Digital Sky Survey, tout pointait vers le même scénario. La quantité de données que nous avons collectées, des rayons X à l'ultraviolet au proche infrarouge, est définitivement plus grand que pour n'importe quel autre trou noir voyou candidat."
L'article de Chiaberge paraîtra dans le numéro du 30 mars de Astronomie &Astrophysique .
Les images de Hubble prises en lumière visible et proche infrarouge ont fourni le premier indice que la galaxie était inhabituelle. Les images ont révélé un quasar brillant, la signature énergétique d'un trou noir, résidant loin du noyau galactique. Les trous noirs ne peuvent pas être observés directement, mais ils sont la source d'énergie au cœur des quasars - intense, jaillissements compacts de rayonnement qui peuvent éclipser une galaxie entière. Le quasar, nommé 3C 186, et sa galaxie hôte résident à 8 milliards d'années-lumière dans un amas de galaxies. L'équipe a découvert les caractéristiques particulières de la galaxie tout en menant une enquête Hubble sur des galaxies lointaines déclenchant de puissantes explosions de rayonnement dans les affres des fusions de galaxies.
"Je m'attendais à voir beaucoup de galaxies fusionner, et je m'attendais à voir des galaxies hôtes en désordre autour des quasars, mais je ne m'attendais pas vraiment à voir un quasar qui était clairement décalé du noyau d'une galaxie de forme régulière, " a rappelé Chiaberge. " Les trous noirs résident au centre des galaxies, il est donc inhabituel de voir un quasar pas au centre."
Cette illustration montre comment les ondes gravitationnelles peuvent propulser un trou noir depuis le centre d'une galaxie. Le scénario commence dans le premier panneau avec la fusion de deux galaxies, chacun avec un trou noir central. Dans le deuxième panneau, les deux trous noirs de la galaxie nouvellement fusionnée s'installent au centre et commencent à tourbillonner l'un autour de l'autre. Cette action énergétique produit des ondes gravitationnelles. Alors que les deux objets lourds continuent de rayonner de l'énergie gravitationnelle, ils se rapprochent au fil du temps, comme on le voit dans le troisième panneau. Si les trous noirs n'ont pas la même masse et la même vitesse de rotation, ils émettent des ondes gravitationnelles plus fortement dans une direction, comme le montre la zone lumineuse en haut à gauche. Les trous noirs se fondent enfin dans le quatrième panneau, formant un trou noir géant. L'énergie émise par la fusion propulse le trou noir loin du centre dans la direction opposée des ondes gravitationnelles les plus fortes. Crédit :NASA, ESA, et A. Feild (STScI)
L'équipe a calculé la distance entre le trou noir et le noyau en comparant la distribution de la lumière des étoiles dans la galaxie hôte avec celle d'une galaxie elliptique normale à partir d'un modèle informatique. Le trou noir avait parcouru plus de 35, 000 années-lumière du centre, qui est plus que la distance entre le soleil et le centre de la Voie Lactée.
Sur la base des observations spectroscopiques prises par Hubble et l'enquête Sloan, les chercheurs ont estimé la masse du trou noir et mesuré la vitesse du gaz piégé près de l'objet géant. La spectroscopie divise la lumière en ses couleurs composantes, qui peut être utilisé pour mesurer les vitesses dans l'espace. "À notre surprise, nous avons découvert que le gaz autour du trou noir s'éloignait du centre de la galaxie à 4,7 millions de miles à l'heure, " a déclaré le membre de l'équipe Justin Ely de STScI. Cette mesure est également une jauge de la vitesse du trou noir, parce que le gaz est verrouillé gravitationnellement sur l'objet monstre.
Les astronomes ont calculé que le trou noir se déplace si vite qu'il se déplacerait de la Terre à la Lune en trois minutes. C'est assez rapide pour que le trou noir s'échappe de la galaxie dans 20 millions d'années et parcoure l'univers pour toujours.
L'image de Hubble a révélé un indice intéressant qui a aidé à expliquer l'emplacement capricieux du trou noir. La galaxie hôte a de faibles caractéristiques en forme d'arc appelées queues de marée, produit par un remorqueur gravitationnel entre deux galaxies en collision. Cette preuve suggère une union possible entre le système 3C 186 et une autre galaxie, chacune avec centrale, trous noirs massifs qui ont peut-être fini par fusionner.
Sur la base de ces preuves visibles, avec des travaux théoriques, les chercheurs ont développé un scénario pour décrire comment le trou noir géant pourrait être expulsé de sa maison centrale. Selon leur théorie, deux galaxies fusionnent, et leurs trous noirs s'installent au centre de la galaxie elliptique nouvellement formée. Alors que les trous noirs tourbillonnent les uns autour des autres, les ondes de gravité sont projetées comme l'eau d'un arroseur de pelouse. Les objets lourds se rapprochent les uns des autres au fil du temps car ils rayonnent de l'énergie gravitationnelle. Si les deux trous noirs n'ont pas la même masse et la même vitesse de rotation, ils émettent des ondes gravitationnelles plus fortement dans une direction. Quand les deux trous noirs se heurtent, ils cessent de produire des ondes gravitationnelles. Le trou noir nouvellement fusionné recule ensuite dans la direction opposée des ondes gravitationnelles les plus fortes et s'envole comme une fusée.
Les chercheurs ont la chance d'avoir capté cet événement unique car toutes les fusions de trous noirs ne produisent pas d'ondes gravitationnelles déséquilibrées qui propulsent un trou noir dans la direction opposée. « Cette asymétrie dépend de propriétés telles que la masse et l'orientation relative des axes de rotation des trous arrière avant la fusion, ", a déclaré Colin Norman, membre de l'équipe du STScI et de l'Université Johns Hopkins. "C'est pourquoi ces objets sont si rares."
Une explication alternative pour le quasar décalé, bien que peu probable, propose que l'objet brillant ne réside pas dans la galaxie. Au lieu, le quasar est situé derrière la galaxie, mais l'image de Hubble donne l'illusion qu'elle est à la même distance que la galaxie. Si tel était le cas, les chercheurs auraient dû détecter une galaxie en arrière-plan hébergeant le quasar.
Si l'interprétation des chercheurs est correcte, les observations peuvent fournir des preuves solides que les trous noirs supermassifs peuvent réellement fusionner. Les astronomes ont des preuves de collisions de trous noirs pour des trous noirs de masse stellaire, mais le processus régulant les trous noirs supermassifs est plus complexe et pas complètement compris.
L'équipe espère utiliser à nouveau Hubble, en combinaison avec l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) et d'autres installations, pour mesurer plus précisément la vitesse du trou noir et de son disque de gaz, ce qui peut donner plus de perspicacité dans la nature de cet objet bizarre.
