Ces images révèlent l'étape finale d'une union entre deux noyaux galactiques dans le noyau désordonné de la galaxie en fusion NGC 6240. L'image de gauche montre la galaxie entière. A droite, un gros plan des deux brillants noyaux de cette union galactique. Cette vue, prise en lumière infrarouge, perce le nuage dense de poussière et de gaz renfermant les deux galaxies en collision et découvre les noyaux actifs. Les trous noirs massifs dans ces noyaux se développent rapidement alors qu'ils se régalent du gaz généré par la fusion des galaxies. Crédit :NASA, ESA, Observatoire W. M. Keck, Pan-STARRS et M. Koss (Eureka Scientific, Inc.)
Pour la première fois, une équipe d'astronomes a observé plusieurs paires de galaxies en phase finale de fusion en une seule, galaxies plus grandes. En regardant à travers les murs épais de gaz et de poussière entourant les noyaux désordonnés des galaxies en fusion, l'équipe de recherche a capturé des paires de trous noirs supermassifs, dont chacun occupait autrefois le centre de l'une des deux galaxies plus petites d'origine, se rapprochant avant de fusionner en un trou noir géant.
Dirigé par Michael Koss, ancien élève de l'Université du Maryland (M.S. '07, doctorat '11, astronomie), chercheur à Eureka Scientific, Inc., avec des contributions d'astronomes de l'UMD, l'équipe a étudié des centaines de galaxies proches à l'aide d'images du W.M. Observatoire Keck à Hawaï et télescope spatial Hubble de la NASA. Les observations de Hubble représentent plus de 20 ans d'images provenant des longues archives du télescope. L'équipe a décrit ses conclusions dans un document de recherche publié le 8 novembre 2018, dans la revue La nature .
"Voir les paires de noyaux de galaxies fusionnant associées à ces énormes trous noirs si proches les uns des autres était assez incroyable, " Koss a déclaré. "Dans notre étude, nous voyons deux noyaux de galaxie juste au moment où les images ont été prises. Vous ne pouvez pas discuter avec cela; c'est un résultat très 'propre', qui ne repose pas sur l'interprétation."
Les images haute résolution fournissent également un aperçu rapproché d'un phénomène que les astronomes soupçonnent d'être plus courant dans l'univers primitif, lorsque les fusions de galaxies étaient plus fréquentes. Quand les trous noirs entrent enfin en collision, ils libéreront une énergie puissante sous la forme d'ondes gravitationnelles - des ondulations dans l'espace-temps récemment détectées pour la première fois par les détecteurs jumeaux de l'observatoire d'ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO).
Les images présagent également de ce qui se passera probablement dans quelques milliards d'années, lorsque notre galaxie de la Voie lactée fusionne avec la galaxie voisine d'Andromède. Les deux galaxies hébergent des trous noirs supermassifs en leur centre, qui finiront par s'écraser et fusionner en un trou noir plus grand.
L'équipe s'est inspirée d'une image de Hubble de deux galaxies en interaction appelées collectivement NGC 6240, qui a ensuite servi de prototype pour l'étude. L'équipe a d'abord recherché visuellement obscurci, des trous noirs actifs en passant au crible 10 ans de données de rayons X du Burst Alert Telescope (BAT) à bord de l'observatoire Neil Gehrels Swift de la NASA.
Ces images révèlent l'étape finale d'une union entre des paires de noyaux galactiques dans les noyaux désordonnés des galaxies en collision. L'image en haut à gauche, prise par la caméra grand champ 3 de Hubble, montre la fusion de la galaxie NGC 6240. Un gros plan des deux noyaux brillants de cette union galactique est montré en haut à droite. Cette vue, prise en lumière infrarouge, perce le nuage dense de poussière et de gaz renfermant les deux galaxies en collision et découvre les noyaux actifs. Les trous noirs massifs dans ces noyaux se développent rapidement alors qu'ils se régalent du gaz généré par la fusion des galaxies. La croissance rapide des trous noirs se produit au cours des 10 à 20 derniers millions d'années de la fusion.Images de quatre autres galaxies en collision, ainsi que des vues rapprochées de leurs noyaux en fusion dans les noyaux brillants, sont affichés sous les instantanés de NGC 6240. Les images des noyaux lumineux ont été prises en lumière proche infrarouge par l'observatoire W. M. Keck à Hawaï, en utilisant l'optique adaptative pour affiner la vue. Les images de référence (à gauche) des galaxies en fusion ont été prises par le Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System (Pan-STARRS). Les deux noyaux sur les photos des observatoires Hubble et Keck ne sont qu'environ 3, 000 années-lumière d'intervalle -- une étreinte proche en termes cosmiques. S'il y a des paires de trous noirs, ils fusionneront probablement au cours des 10 prochains millions d'années pour former un trou noir plus massif. Ces observations font partie de la plus grande enquête jamais réalisée sur les noyaux des galaxies voisines à l'aide d'images haute résolution en lumière proche infrarouge prises par les observatoires Hubble et Keck. La distance moyenne des galaxies étudiées est de 330 millions d'années-lumière de la Terre. Crédit :NASA, ESA, et M. Koss (Eureka Scientific, Inc. ); Images Keck :Observatoire W. M. Keck et M. Koss (Eureka Scientific, Inc. ); Images Pan-STARRS :Télescope d'enquête panoramique et système de réponse rapide et M. Koss (Eureka Scientific, Inc.)
« L'avantage d'utiliser le BAT de Swift est qu'il observe une haute énergie, rayons X « durs », " a déclaré le co-auteur de l'étude Richard Mushotzky, professeur d'astronomie à l'UMD et membre du Joint Space-Science Institute (JSI). "Ces rayons X pénètrent à travers les épais nuages de poussière et de gaz qui entourent les galaxies actives, permettant au BAT de voir des choses qui sont littéralement invisibles dans d'autres longueurs d'onde."
Les chercheurs ont ensuite passé au peigne fin les archives de Hubble, se concentrant sur les galaxies en fusion qu'ils ont repérées dans les données de rayons X. Ils ont ensuite utilisé le super-pointu du télescope Keck, vision proche infrarouge pour observer un plus grand échantillon de trous noirs producteurs de rayons X non trouvés dans les archives de Hubble.
L'équipe a ciblé des galaxies situées en moyenne à 330 millions d'années-lumière de la Terre, relativement proches en termes cosmiques. De nombreuses galaxies sont de taille similaire à celles de la Voie lactée et d'Andromède. Au total, l'équipe a analysé 96 galaxies observées avec le télescope Keck et 385 galaxies des archives Hubble.
Leurs résultats suggèrent que plus de 17% de ces galaxies hébergent une paire de trous noirs en leur centre, qui sont enfermés dans les dernières étapes de leur spirale de plus en plus rapprochée avant de fusionner en un seul, trou noir ultra-massif. Les chercheurs ont été surpris de trouver une proportion aussi élevée de fusions à un stade avancé, car la plupart des simulations suggèrent que les paires de trous noirs passent très peu de temps dans cette phase.
Pour vérifier leurs résultats, les chercheurs ont comparé les galaxies étudiées avec un groupe témoin de 176 autres galaxies des archives Hubble dépourvues de trous noirs en croissance active. Dans ce groupe, seulement environ un pour cent des galaxies étudiées étaient soupçonnées d'héberger des paires de trous noirs dans les derniers stades de leur fusion.
Cette dernière étape a permis aux chercheurs de confirmer que les noyaux galactiques lumineux trouvés dans leur recensement de galaxies poussiéreuses en interaction sont bien une signature de paires de trous noirs à croissance rapide se dirigeant vers une collision. Selon les chercheurs, ce résultat est cohérent avec les prédictions théoriques, mais jusqu'à maintenant, n'avait pas été vérifiée par des observations directes.
"Les gens avaient déjà mené des études pour rechercher ces trous noirs en interaction étroite auparavant, mais ce qui a vraiment permis cette étude particulière, ce sont les rayons X qui peuvent traverser le cocon de poussière, " a expliqué Koss. " Nous avons également regardé un peu plus loin dans l'univers afin de pouvoir étudier un plus grand volume d'espace, nous donnant une plus grande chance de trouver plus lumineux, trous noirs à croissance rapide."
Il n'est pas facile de trouver des noyaux galactiques si proches les uns des autres. La plupart des observations antérieures de galaxies en fusion ont capturé les trous noirs en fusion à des stades antérieurs, quand ils étaient environ 10 fois plus loin. Le stade tardif du processus de fusion est si insaisissable car les galaxies en interaction sont enfermées dans une poussière et un gaz denses, nécessitant des observations à très haute résolution qui peuvent voir à travers les nuages et localiser les deux noyaux fusionnants.
"Les simulations informatiques de smashups de galaxies nous montrent que les trous noirs se développent le plus rapidement pendant les étapes finales des fusions, proche du moment où les trous noirs interagissent, et c'est ce que nous avons trouvé dans notre enquête, " a déclaré Laura Blecha, professeur adjoint de physique à l'Université de Floride et co-auteur de l'étude. Blecha était boursier postdoctoral du prix JSI au département d'astronomie de l'UMD avant de rejoindre la faculté de l'UF en 2017. être si monstrueusement grand."
Les futurs télescopes infrarouges tels que le très attendu télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA, lancement prévu en 2021, offrira une vision encore meilleure des fusions dans poussiéreux, galaxies fortement obscurcies. Pour les paires de trous noirs à proximité, JWST devrait également être capable de mesurer les masses, taux de croissance et d'autres paramètres physiques pour chaque trou noir.
"Il y a peut-être d'autres objets que nous avons manqués. Même avec Hubble, de nombreuses galaxies proches à faible décalage vers le rouge ne peuvent pas être résolues - les deux noyaux fusionnent en un seul, " a déclaré le co-auteur de l'étude Sylvain Veilleux, professeur d'astronomie à l'UMD et boursier JSI. "Avec la résolution angulaire plus élevée de JWST et sa sensibilité à l'infrarouge, qui peuvent traverser les noyaux poussiéreux de ces galaxies, les recherches pour ces objets à proximité devraient être faciles à faire. Aussi avec JWST, nous pourrons pousser vers de plus grandes distances, pour voir les objets avec un décalage vers le rouge plus élevé. Avec ces constats, on peut commencer à explorer la fraction des objets qui se confondent chez les plus jeunes, régions les plus éloignées de l'univers, ce qui devrait être assez fréquent."
