Il y a trois ans, une équipe dirigée par l'Université de l'Utah a découvert qu'une galaxie naine ultra-compacte contenait un trou noir supermassif, puis la plus petite galaxie connue à abriter un trou noir aussi géant. Les résultats suggèrent que les nains étaient probablement de minuscules restes de galaxies plus grandes qui ont été dépouillés de leurs couches externes après être entrés en collision avec d'autres, galaxies plus grandes.

Maintenant, le même groupe d'astronomes et de collègues U a trouvé deux autres galaxies naines ultra-compactes avec des trous noirs supermassifs. Ensemble, les trois exemples suggèrent que des trous noirs se cachent au centre de la plupart de ces objets, doublant potentiellement le nombre de trous noirs supermassifs connus dans l'univers. Les trous noirs représentent un pourcentage élevé de la masse totale des galaxies compactes, soutenant la théorie selon laquelle les naines sont des restes de galaxies massives qui ont été déchirées par des galaxies plus grandes.

"Nous ne comprenons toujours pas pleinement comment les galaxies se forment et évoluent au fil du temps. Ces objets peuvent nous dire comment les galaxies fusionnent et entrent en collision, " dit Chris Ahn, doctorant au Département de Physique &Astronomie, et auteur principal de l'étude internationale publiée lundi dans Le Journal d'Astrophysique . "Peut-être qu'une fraction des centres de toutes les galaxies sont en fait ces galaxies compactes dépouillées de leurs parties externes."

Mesurer les galaxies

Les auteurs ont mesuré deux galaxies naines ultra-compactes, nommé VUCD3 et M59cO, qui se trouvent bien au-delà des bras spiraux de notre Voie lactée, en orbite autour des galaxies massives de l'amas de galaxies de la Vierge. Ils ont détecté un trou noir supermassif dans les deux galaxies; Le trou noir de VUCD3 a une masse équivalente à 4,4 millions de soleils, représentant environ 13 pour cent de la masse totale de la galaxie, et le trou noir de M59cO a une masse de 5,8 millions de soleils, représentant environ 18 pour cent de sa masse totale.

Par comparaison, le monstrueux trou noir au centre de la Voie Lactée a une masse de 4 millions de soleils, mais représente moins de 0,01 pour cent de la masse totale de la galaxie.

"C'est assez incroyable quand on y pense vraiment. Ces naines ultra-compactes font environ 0,1% de la taille de la Voie lactée, pourtant ils hébergent des trous noirs supermassifs qui sont plus gros que le trou noir au centre de notre propre galaxie, " s'émerveille Ahn.

Pour calculer la masse des galaxies naines ultra-compactes, les astronomes ont mesuré le mouvement des étoiles à l'aide du télescope Gemini North situé sur le volcan Mauna Kea à Hawaï. Les astronomes doivent corriger les distorsions causées par l'atmosphère terrestre. Ils ont tiré un laser dans le ciel pour faire une fausse petite étoile, et déplacé un miroir des centaines de fois par seconde pour annuler la distorsion. Ils ont ensuite appliqué la technique aux galaxies naines ultra-compactes, qui sont si petits que les corrections sont nécessaires pour mesurer les mouvements à l'intérieur de l'objet. La technique, connue sous le nom d'optique adaptative, met au point la galaxie autrefois floue.

Ils ont également analysé des images du télescope spatial Hubble pour mesurer la répartition des étoiles dans chaque galaxie, et créé une simulation informatique qui correspond le mieux à leurs observations.

Ils ont découvert que le mouvement des étoiles au centre des galaxies se déplaçait beaucoup plus rapidement que ceux à l'extérieur, une signature classique d'un trou noir. VUCD3 et M59cO sont les deuxième et troisième galaxies naines ultra-compactes contenant un trou noir supermassif, suggérant que tous ces nains peuvent abriter des objets absorbants de lumière aussi massifs.

Mystères des galaxies naines ultra-compactes

Les astronomes ont découvert des galaxies naines ultra-compactes à la fin des années 1990. Les objets sont constitués de centaines de millions d'étoiles densément entassées sur une moyenne de 100 années-lumière de diamètre. Les scientifiques ont pris des mesures pour voir ce qui se passait à l'intérieur des galaxies, et quelque chose n'a pas fonctionné ; les galaxies naines ultra-compactes avaient plus de masse que leurs étoiles seules ne pouvaient en expliquer. Auteur principal Anil Seth, professeur assistant au Département de physique et d'astronomie de l'U, a dirigé l'étude de 2014 qui a trouvé la première galaxie naine ultra-compacte avec un trou noir supermassif. Les deux études dirigées par U montrent clairement que les trous noirs supermassifs au centre des galaxies sont responsables de la masse supplémentaire.

Une théorie alternative des naines est qu'elles ne sont que des amas d'étoiles vraiment massifs - des groupes de cent mille étoiles nées en même temps. Le plus grand amas d'étoiles de la Voie lactée compte trois millions d'étoiles, et les galaxies naines ultra-compactes sont 10 à 100 fois plus grosses que cela. « La question était, « Est-ce parce qu'ils forment des amas d'étoiles plus gros avec le même processus ? Ou sont-ils différents d'une manière ou d'une autre ?' Ce travail montre qu'ils sont différents, " Seth continue.

"C'est évident avec le recul, parce que le centre d'une galaxie régulière ressemble presque exactement à ces objets, mais ce n'était pas ce que la plupart des gens pensaient qu'ils étaient. Je n'étais pas convaincu qu'on allait trouver un trou noir quand j'ai fait les observations, " dit Seth. " C'est un bon exemple de découverte scientifique et de la rapidité avec laquelle vous pouvez réorienter notre compréhension de l'univers. "

Les trous noirs et la formation des galaxies

Les trous noirs sont des zones avec une gravité si forte que même la lumière ne peut pas s'échapper. Ils se forment lorsque les étoiles s'effondrent, laissant derrière lui un trou noir avec une masse dense qui exerce une force gravitationnelle sur les objets qui l'entourent. Les trous noirs supermassifs ont une masse de plus d'un million de soleils, et seraient au centre de toutes les grandes galaxies.

Une explication du trou noir supermassif à l'intérieur des galaxies naines ultra-compactes est que les galaxies étaient autrefois composées de milliards d'étoiles. Les auteurs pensent que les naines ont été "avalées" et déchirées par la gravité de galaxies beaucoup plus grandes. Le trou noir nain ultra-compact est le vestige de sa taille autrefois massive. Les découvertes changent la façon dont les astronomes peuvent reconstituer la formation et l'évolution des galaxies au fil du temps.

"Nous savons que les galaxies fusionnent et se combinent tout le temps - c'est ainsi que les galaxies évoluent. Notre Voie lactée dévore les galaxies au moment où nous parlons, " dit Seth. "Notre image générale de la formation des galaxies est que les petites galaxies fusionnent pour former de grandes galaxies. Mais nous en avons une image vraiment incomplète. Les galaxies naines ultra-compactes nous fournissent une chronologie plus longue pour pouvoir regarder ce qui s'est passé dans le passé."