Alors que la matière qui compose l'étoile tombe sur le trou noir, il émet des rayons X. L'encart montre les données recueillies par trois télescopes, avec la luminosité des rayons X tracée sur l'axe vertical en fonction de la longueur d'onde sur l'axe horizontal. Crédit :NASA/CXC/U. Michigan/J. Miller et al.; Illustration :NASA/CXC/M. Weiss
Les scientifiques du MIPT, l'Université d'Oxford, et l'Académie des sciences de Russie ont estimé le nombre d'étoiles perturbées par des trous noirs supermassifs solitaires dans des centres galactiques qui se sont formés par fusion de galaxies contenant des trous noirs supermassifs. Les astrophysiciens ont déterminé si les effets gravitationnels résultant du rapprochement de deux trous noirs peuvent expliquer pourquoi moins d'étoiles sont observées capturées par les trous noirs que ne le prévoient les modèles théoriques de base.
Dans leur étude publiée dans Le Journal d'Astrophysique , les chercheurs se sont penchés sur l'interaction des mécanismes dynamiques affectant le nombre d'étoiles dans une galaxie qui sont capturées par unité de temps (le taux de perturbation des marées). Un modèle théorique avancé a donné des résultats encore plus incohérents avec les observations, conduisant l'équipe à émettre l'hypothèse que la perturbation des étoiles dans les noyaux galactiques pourrait se produire à notre insu.
Perturbation des étoiles
événements de perturbation des marées, ou TDE, sont la seule source d'information disponible sur les noyaux galactiques inactifs. Il y a au moins un trou noir supermassif au centre de la plupart des galaxies. Entouré d'amas d'étoiles centraux denses, les trous noirs occupent des régions appelées noyaux galactiques. Comme leur nom l'indique, les trous noirs n'émettent aucune lumière. Cependant, quand la matière tombe sur l'objet massif central, il est chauffé à des températures extrêmes et peut être observé avec un télescope. Les galaxies actives ont des nuages de gaz qui alimentent les trous noirs, les rendant ainsi visibles. Cependant, environ 90 pour cent des galaxies restent "silencieuses, " car ils ne contiennent pas de nuages de gaz et donc peu importe que le trou noir consomme d'autres que des étoiles qui s'éloignent parfois trop près. Lorsque cela se produit, l'étoile est déchirée par les forces de marée, l'expérience de ce qu'on appelle la « spaghettification, " et les astronomes détectent un événement de perturbation de marée (TDE). Jusqu'à présent, une cinquantaine de flares de rayonnements liés aux TDE ont été observés. On estime que le taux moyen de perturbation stellaire s'élève à une étoile sur 10, 000 à 100, 000 ans par galaxie. Sur la base de ces données, les scientifiques tentent de développer un modèle fiable de ce qui se passe dans les noyaux galactiques inactifs.
Supposons une galaxie sphérique dans le vide
Le modèle théorique le plus simple implique une galaxie dont le noyau est de forme sphérique et a un trou noir supermassif en son centre. Le trou noir est orbité par des étoiles qui changent la direction de leur mouvement lorsqu'elles se croisent, la façon dont les boules de billard rebondissent les unes sur les autres lorsqu'elles entrent en collision sur la table. Cependant, alors qu'une boule de billard doit se diriger droit vers le trou pour y tomber, une étoile a plus d'options :Il suffit que son vecteur vitesse soit dans ce qu'on appelle le cône de perte, pour s'assurer que l'étoile sera finalement capturée et perturbée par la gravité du trou noir. Selon ce modèle très simple, une moyenne d'une étoile par galaxie devrait être capturée tous les 1, 000 à 10, 000 ans, c'est à dire., plus fréquemment qu'observé. Bien que le modèle puisse être amélioré en tenant compte d'un certain nombre d'autres facteurs (p. la différence de masse des étoiles), cela ne ferait qu'augmenter encore les taux de perturbation des marées prévus.
Une étoile dont le vecteur vitesse est tombé dans le cône de perte. BH désigne un trou noir, et rcapt est le rayon de capture. Crédit :Institut de physique et de technologie de Moscou
L'effet fronde
Maintenant, il n'y a qu'un seul mécanisme discuté dans les sources publiées qui pourrait être responsable du fait que moins d'étoiles sont capturées que prévu. Avec curiosité, il faut que la plupart des étoiles à faible moment angulaire disparaissent, pour ainsi dire. Mais examinons d'abord un cas analogue de diffusion gazeuse. Supposons qu'il y ait des molécules de gaz en mouvement aléatoire contenues à l'intérieur d'un récipient dont les parois peuvent absorber les molécules. Imaginez maintenant que les molécules les plus proches des parois ont été supprimées. La conséquence évidente de ceci serait moins de molécules absorbées par unité de temps, puisque les molécules restantes doivent encore parcourir une certaine distance avant de pouvoir entrer en contact avec un mur. De la même manière, si les étoiles sont éloignées du centre de la galaxie, le taux de perturbation stellaire diminuera. Naturellement, les étoiles ne peuvent pas simplement disparaître dans l'air; mais si la galaxie héberge un trou noir binaire, puis des étoiles individuelles peuvent être éjectées de la galaxie au moyen d'une fronde gravitationnelle, une manœuvre également connue sous le nom d'assistance par gravité lorsque des engins spatiaux artificiels sont impliqués.
La loi de conservation de l'énergie implique que lorsqu'une étoile est accélérée (c'est-à-dire, reçoit une énergie cinétique supplémentaire), l'énergie du trou noir binaire doit être réduite. Par conséquent, les deux trous noirs se rapprochent et commencent à fusionner. Finalement, lorsque la fusion est presque terminée, une partie de l'énergie est rayonnée vers l'extérieur sous forme d'ondes gravitationnelles, comme en témoigne cette récente découverte sensationnelle.
Au cours de la phase initiale de la fusion connue sous le nom d'inspiral, les trous noirs orbitent autour d'un centre de masse commun se rapprochant progressivement les uns des autres. Ensuite, la fusion proprement dite se produit et la plupart des ondes gravitationnelles sont émises. Les lignes rouges et bleues en bas de l'image représentent le signal gravitationnel associé à une fusion de trous noirs. Suite à la fusion proprement dite, le trou noir désormais unique subit des oscillations appelées ringdown. Crédit :LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)
Une galaxie non sphérique dans le vide
Bien qu'une fusion de galaxies puisse s'accompagner d'une diminution du taux de perturbation des étoiles, l'effet inverse a également été observé. Cela a à voir avec le fait que tout noyau galactique qui est le produit d'une fusion est de forme légèrement non sphérique. Dans un noyau non sphérique, les étoiles sont plus intimement mêlées; Par conséquent, il y a plus d'étoiles dont les orbites sont proches du trou noir. Cela signifie que plus d'étoiles sont disponibles pour être capturées et que le taux de TDE augmente, malgré l'effet fronde. Pour découvrir comment l'interaction de ces deux facteurs opposés influe sur le taux de perturbation stellaire, Kirill Lezhnin et Eugene Vasiliev, tous deux diplômés du MIPT, ont effectué les calculs nécessaires et étudié l'influence de la masse du trou noir, géométrie de l'amas d'étoiles nucléaires, et les conditions initiales ont sur les taux de perturbation.
Encore plus de destruction
Il s'est avéré que l'effet de l'élimination des étoiles du centre de la galaxie au moyen d'une fronde gravitationnelle était négligeable dans tous les cas, à l'exception du scénario de la galaxie sphérique dans le vide. Ça devrait être noté, cependant, que la forme d'une galaxie formée lors d'une fusion n'est jamais une sphère parfaite. En ce qui concerne les résultats des calculs, l'essentiel est qu'une moyenne d'une étoile sur 10, 000 ans par galaxie devraient être perturbés. Et bien que ce nombre soit en bon accord avec les prédictions théoriques antérieures, cela soulève également la question :pourquoi se fait-il que l'on observe moins de TDE que les modèles théoriques ne le laisseraient supposer ?
Kirill Lejnine, l'un des auteurs de l'étude, explique l'importance des résultats de la recherche :« Nous avons montré que les faibles taux de perturbation observés ne peuvent pas être expliqués par l'effet de fronde. Par conséquent, un autre mécanisme doit être trouvé qui se situe en dehors du domaine des études de dynamique stellaire. Alternativement, les taux de TDE auxquels nous sommes arrivés pourraient en fait être exacts. Nous devons ensuite trouver une explication pour expliquer pourquoi ils ne sont pas observés. »
