Quand trois galaxies entrent en collision, qu'arrive-t-il aux énormes trous noirs au centre de chacun ? Une nouvelle étude utilisant l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA et plusieurs autres télescopes révèle de nouvelles informations sur le nombre de trous noirs qui se développent furieusement après ces écrasements galactiques.

Les astronomes veulent en savoir plus sur les collisions galactiques, car les fusions ultérieures sont un moyen essentiel pour les galaxies et les trous noirs géants dans leurs noyaux de croître au cours du temps cosmique.

"Il y a eu de nombreuses études sur ce qui arrive aux trous noirs supermassifs lorsque deux galaxies fusionnent, " a déclaré Adi Foord de l'Université de Stanford, qui a dirigé l'étude. "La nôtre est l'une des premières à examiner systématiquement ce qui arrive aux trous noirs lorsque trois galaxies se réunissent."

Elle et ses collègues ont identifié des systèmes de fusion de trois galaxies en croisant les archives – contenant des données désormais accessibles au public – de la mission WISE de la NASA et du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) avec les archives de Chandra. En utilisant cette méthode, ils ont trouvé sept fusions de galaxies triples situées entre 370 millions et un milliard d'années-lumière de la Terre.

En utilisant le logiciel spécialisé Foord développé pour son doctorat. à l'Université du Michigan à Ann Arbor, l'équipe a analysé les données de Chandra ciblant ces systèmes pour détecter les sources de rayons X marquant l'emplacement des trous noirs supermassifs en croissance. Alors que la matière tombe vers un trou noir, il est chauffé à des millions de degrés et produit des rayons X.

Chandra, avec sa vision nette aux rayons X, est idéal pour détecter la croissance des trous noirs supermassifs dans les fusions. Les sources de rayons X associées sont difficiles à détecter car elles sont généralement proches les unes des autres dans les images et sont souvent faibles. Le logiciel de Foord a été développé spécifiquement pour trouver de telles sources. Les données d'autres télescopes ont ensuite été utilisées pour exclure d'autres origines possibles de l'émission de rayons X sans rapport avec les trous noirs supermassifs.

Les résultats de Foord et de l'équipe montrent que sur sept fusions de galaxies triples, il y en a une avec un seul trou noir supermassif en croissance, quatre avec des trous noirs supermassifs à double croissance, et un qui est un triple. La triple fusion finale qu'ils ont étudiée semble avoir eu lieu sans qu'aucune émission de rayons X ne soit détectée par les trous noirs supermassifs. Dans les systèmes à trous noirs multiples, les séparations entre eux sont comprises entre environ 10, 000 et 30, 000 années-lumière.

« Pourquoi nous soucions-nous du pourcentage de réussite de ces trous noirs ? » a déclaré le co-auteur Jessie Runnoe de l'Université Vanderbilt à Nashville, Tenn. "Parce que ces statistiques peuvent nous en dire plus sur la croissance des trous noirs et des galaxies qu'ils habitent."

Une fois qu'ils ont trouvé des preuves de sources de rayons X brillantes comme candidats à la croissance de trous noirs supermassifs dans les données de Chandra, les chercheurs ont incorporé des données d'archives provenant d'autres télescopes. Comme un deuxième arbitre conférant au sujet de l'appel d'origine, ces données ont soutenu l'idée que plusieurs trous noirs étaient présents dans les galaxies fusionnées.

Pour faire ces appels, les auteurs ont étudié les données infrarouges de la mission WISE, le satellite astronomique infrarouge, et le Two Micron All Sky Telescope pour voir à quelle vitesse les étoiles se forment dans les différentes galaxies de leur étude. Cela leur a permis d'estimer combien de rayons X détectés sont susceptibles de provenir de systèmes émetteurs de rayons X contenant des étoiles massives, plutôt qu'un trou noir supermassif en pleine croissance. Parce que ces systèmes stellaires sont jeunes, ils sont plus fréquents lorsque les étoiles se forment plus rapidement. Foord et ses collègues ont utilisé cette technique pour conclure que l'une des sources de rayons X qu'ils ont trouvées provient probablement d'une collection de systèmes stellaires émettant des rayons X.

Les données Chandra et WISE montrent que le système avec des trous noirs supermassifs en croissance contient la plus grande quantité de poussière et de gaz. Cela correspond aux simulations informatiques théoriques des fusions qui suggèrent que des niveaux plus élevés de gaz près des trous noirs sont plus susceptibles de déclencher une croissance rapide des trous noirs.

Les études sur les triples fusions peuvent aider les scientifiques à comprendre si des paires de trous noirs supermassifs peuvent s'approcher si près les uns des autres qu'ils créent des ondulations dans l'espace-temps appelées ondes gravitationnelles. L'énergie perdue par ces ondes provoquera inévitablement la fusion des trous noirs.

Le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) et le réseau Virgo en Europe ont montré aux astronomes que les trous noirs de masse stellaire créent des ondes gravitationnelles et fusionnent, mais on ne sait pas si les trous noirs supermassifs le font.

"Il existe un "scénario de cauchemar" où les trous noirs supermassifs ne peuvent pas perdre suffisamment d'énergie pour se rapprocher et créer des ondes gravitationnelles", a déclaré le co-auteur Michael Koss d'Eureka Scientific à Oakland, Californie. « Si tel est le cas, des projets comme LISA et les matrices de synchronisation de pulsar n'auront aucune fusion de trous noirs supermassifs à détecter ».

Cependant, les interactions gravitationnelles d'un troisième trou noir supermassif peuvent empêcher ce processus de décrochage. Les études de trous noirs supermassifs dans des systèmes où trois galaxies fusionnent sont donc importantes pour comprendre si le scénario du cauchemar pourrait s'appliquer.

Le système avec trois trous noirs supermassifs en croissance avait déjà été signalé par Ryan Pfeifle de l'Université George Mason à Fairfax, Virginia dans un communiqué de presse de Chandra et un article d'octobre 2019 dans Le Journal d'Astrophysique , et une équipe dirigée par Xin Lui de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign dans un article de décembre 2019 dans Le Journal d'Astrophysique . Ce dernier résultat aide à replacer cette découverte dans le contexte d'autres triples fusions de galaxies.

Foord a présenté la nouvelle étude à la 237e réunion de l'American Astronomical Society, qui se tient virtuellement du 11 au 15 janvier, 2021. Deux articles décrivant ce travail ont récemment été acceptés pour publication dans Le Journal d'Astrophysique ..