Figure 1 :L'image profonde de Messier 77 prise avec l'Hyper Suprime-Cam (HSC) montée sur le télescope Subaru. L'image est créée en ajoutant les informations de couleur du Sloan Digital Sky Survey (Note 1) à l'image monochromatique acquise par le HSC. Crédit :NAOJ/SDSS/David Hogg/Michael Blanton. Traitement d'image :Ichi Tanaka
La galaxie Messier 77 (M77) est célèbre pour son noyau super-actif qui libère une énergie énorme à travers le spectre électromagnétique, allant des rayons X aux longueurs d'onde radio. Encore, malgré son noyau très actif, la galaxie ressemble à n'importe quelle spirale tranquille normale. Il n'y a aucun signe visuel de ce qui fait que sa région centrale rayonne si largement. Cela a longtemps été un mystère pourquoi seul le centre de M77 est si actif. Les astronomes soupçonnent un événement il y a longtemps impliquant un trou noir en train de couler, ce qui aurait pu faire passer le noyau à la vitesse supérieure.
Pour tester leurs idées sur les raisons pour lesquelles la région centrale de M77 émet des quantités massives de rayonnement, une équipe de chercheurs de l'Observatoire astronomique national du Japon et de l'Université ouverte du Japon a utilisé le télescope Subaru pour étudier M77. L'image profonde sans précédent de la galaxie révèle la preuve d'une fusion mineure cachée il y a des milliards d'années. La découverte donne des preuves cruciales de l'origine mineure de la fusion des noyaux galactiques actifs.
Le mystère des galaxies Seyfert
La galaxie Messier 77 (NGC 1068) est célèbre pour abriter un noyau actif en son cœur qui libère une énorme quantité d'énergie. L'existence de telles galaxies actives dans l'univers proche a été notée pour la première fois par l'astronome américain Carl Seyfert il y a plus de 70 ans. De nos jours, on les appelle les galaxies de Seyfert. Les astronomes pensent que la source d'une activité aussi puissante est l'énergie gravitationnelle libérée par la matière surchauffée tombant sur un trou noir supermassif (SMBH) qui réside au centre de la galaxie hôte. La masse estimée d'un tel SMBH pour M77 est environ 10 millions de fois celle du Soleil.
Il faut une énorme quantité de gaz déversé sur le trou noir central de la galaxie pour créer des énergies aussi fortes. Cela peut sembler une tâche facile, mais c'est en fait très difficile. Le gaz dans le disque galactique circulera de plus en plus vite au fur et à mesure de sa spirale à proximité du SMBH. Puis, à un moment donné, la "force centrifuge" s'équilibre avec l'attraction gravitationnelle du SMBH. Cela empêche réellement le gaz de tomber dans le centre. La situation est similaire à l'eau qui s'écoule d'une baignoire. En raison de la force centrifuge, l'eau en rotation rapide ne s'écoulera pas rapidement. Donc, comment le moment angulaire peut-il être supprimé du gaz circulant près d'un noyau galactique actif ? Trouver la réponse à cette question est l'un des grands défis pour les chercheurs d'aujourd'hui.
Une prédiction posée il y a 18 ans
En 1999, Professeur Yoshiaki Taniguchi (actuellement à l'Open University of Japan), le chef d'équipe de l'étude Subaru en cours, a publié un article sur le mécanisme moteur du noyau actif des galaxies Seyfert telles que M 77. Il a souligné qu'un événement passé - une "fusion mineure" où la galaxie hôte a mangé sa galaxie "satellite" (une petite galaxie de faible masse en orbite) – serait la clé pour activer le noyau Seyfert.
Figure 2 :(À gauche) Les nouvelles découvertes, structures extrêmement diffuses autour de M77. La partie couleur la plus à l'intérieur de l'image montre la partie brillante de la galaxie (à partir de SDSS :voir le centre de la figure 1). La partie médiane en rouge-brun est l'expression à contraste amélioré de la faible structure à un bras (étiquetée "Banane") à droite, ainsi que la structure d'ondulation (étiquetée "Ondulation") à gauche. Tous les objets de premier plan/arrière-plan sans rapport avec M77 sont supprimés au cours du processus. La partie monochrome la plus externe montre les structures ultra-diffuses faibles dans les cercles jaunes (étiquetés comme "UDO-SE", "U FINI", "UDO-SW"). Un regard profond sur eux indique les deux derniers ("UDO-NE", "UDO-SW") constituent une partie de la grande structure en forme de boucle. Crédit :NAOJ
D'habitude, un événement de fusion mineur brise simplement une galaxie satellite de faible masse. Les débris résultants sont absorbés dans le disque de la galaxie hôte la plus massive avant qu'il ne s'approche du centre. Par conséquent, elle n'était pas considérée comme le moteur principal de l'activité nucléaire. "Toutefois, la situation pourrait être totalement différente si la galaxie satellite a un SMBH (plus petit) en son centre, " suggère le professeur Taniguchi, "parce que le trou noir ne peut jamais être brisé. S'il existe, il devrait finalement s'enfoncer dans le centre de la galaxie hôte."
Le naufrage du SMBH de la galaxie satellite finirait par créer une perturbation dans le disque de gaz en rotation autour du SMBH de la galaxie principale. Puis, le gaz perturbé finirait par se précipiter dans le SMBH central tout en libérant une énorme énergie gravitationnelle. "Ce doit être le principal mécanisme d'allumage des noyaux actifs de Seyfert, " a soutenu Taniguchi. " L'idée peut naturellement expliquer le mystère de la morphologie des galaxies de Seyfert, " a déclaré le professeur Taniguchi, soulignant l'avantage du modèle des galaxies d'apparence normale étant également très actif à leur noyau.
Sonder la théorie à l'aide du télescope Subaru
Les progrès récents de la technique d'observation permettent la détection de la structure extrêmement faible autour des galaxies, tels que des boucles ou des débris qui sont probablement créés par des interactions dynamiques avec des galaxies satellites. Les parties les plus externes des galaxies sont souvent considérées comme relativement "silencieuses" avec une échelle de temps dynamique plus longue que n'importe où à l'intérieur. Les simulations montrent que la faible signature d'une fusion mineure passée peut rester plusieurs milliards d'années après l'événement. "Une telle signature peut être un test clé pour notre hypothèse de fusion mineure pour les galaxies de Seyfert. Il est maintenant temps de revisiter M77, " dit Taniguchi.
Le choix de l'équipe de rechercher « le cas passé » était, bien sûr, le télescope Subaru et sa puissante caméra d'imagerie, Hyper Suprime-Cam. La proposition d'observation a été acceptée et exécutée la nuit de Noël 2016. « Les données étaient tout simplement incroyables, " a déclaré le Dr Ichi Tanaka, le chercheur principal du projet. "Heureusement, nous avons également pu récupérer les autres données qui ont été prises dans le passé et qui viennent d'être publiées dans les archives de données du télescope Subaru. Ainsi, les données combinées que nous avons finalement obtenues sont d'une profondeur sans précédent."
La figure 2 montre le résultat. L'équipe a identifié plusieurs caractéristiques notables en dehors du disque brillant, comme le montre la figure 1, dont la plupart n'étaient pas connus avant l'observation. Il y a une faible structure externe à un bras à l'extérieur du disque à l'ouest. La partie opposée du disque a une structure en forme d'ondulation qui est clairement différente du motif en spirale. Les signatures détectées correspondent étonnamment au résultat d'une simulation de fusion mineure publiée par d'autres équipes de recherche. De plus, l'équipe d'observation a découvert trois structures blobby extrêmement diffuses et larges plus loin à l'extérieur du disque. Curieusement, il semble que deux de ces gouttes diffuses constituent en réalité une gigantesque boucle autour de M77 d'un diamètre de 250, 000 années-lumière. Ces structures sont des preuves convaincantes que M77 a dévoré sa galaxie satellite il y a au moins plusieurs milliards d'années.
La grande puissance de collecte de photons de Subaru et les superbes performances de l'Hyper Suprime-Cam ont été cruciales dans la découverte des structures extrêmement faibles de M77. Leur découverte révèle le passé violent caché de la galaxie d'apparence normale. "Bien que les gens puissent parfois mentir, les galaxies ne le font jamais. L'important est d'écouter leurs petites voix pour comprendre les galaxies, " a déclaré le professeur Taniguchi.
L'équipe étendra son étude à davantage de galaxies Seyfert en utilisant le télescope Subaru. Dr Masafumi Yagi, qui dirige la phase suivante du projet a déclaré :"Nous découvrirons de plus en plus de preuves de la fusion de satellites autour des galaxies hôtes de Seyfert. Nous nous attendons à ce que le projet puisse fournir une pièce critique pour l'image unifiée du mécanisme de déclenchement des noyaux galactiques actifs."
