Cavités géantes dans le milieu intra-amas émetteur de rayons X (en bleu, comme observé par l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA) ont été sculptés par une explosion de trou noir. Les données de rayons X sont superposées aux données optiques du télescope spatial Hubble (en rouge/orange), où la galaxie centrale qui abrite probablement le trou noir supermassif coupable est également visible. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Il y a des milliards d'années, au centre d'un amas de galaxies lointain, loin (15 milliards d'années-lumière, pour être exact), un trou noir a craché des jets de plasma. Alors que le plasma sortait du trou noir, il a repoussé du matériel, créant deux grandes cavités à 180 degrés l'une de l'autre. De la même manière, vous pouvez calculer l'énergie d'un impact d'astéroïde par la taille de son cratère, Michel Calzadilla, un étudiant diplômé du MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (MKI), utilisé la taille de ces cavités pour déterminer la puissance de l'explosion du trou noir.
Dans un article récent du Lettres de revues astrophysiques , Calzadilla et ses coauteurs décrivent l'explosion dans l'amas de galaxies SPT-CLJ0528-5300, ou SPT-0528 en abrégé. Combinant le volume et la pression du gaz déplacé avec l'âge des deux cavités, ils ont pu calculer l'énergie totale de l'explosion. À plus de 10 54 joules d'énergie, une force équivalente à environ 10 38 bombes nucléaires, c'est l'explosion la plus puissante signalée dans un amas de galaxies lointain. Les coauteurs de l'article incluent le chercheur scientifique de MKI Matthew Bayliss et le professeur adjoint de physique Michael McDonald.
L'univers est parsemé d'amas de galaxies, collections de centaines voire de milliers de galaxies imprégnées de gaz chaud et de matière noire. Au centre de chaque amas se trouve un trou noir, qui passe par des périodes d'alimentation, où il engloutit le plasma de l'amas, suivi de périodes d'explosion explosive, où il projette des jets de plasma une fois qu'il a atteint son plein. "C'est un cas extrême de la phase d'explosion, " dit Calzadilla de leur observation de SPT-0528. Même si l'explosion s'est produite il y a des milliards d'années, avant même que notre système solaire ne se soit formé, il a fallu environ 6,7 milliards d'années pour que la lumière de l'amas de galaxies se rende jusqu'à Chandra, L'observatoire d'émissions de rayons X de la NASA en orbite autour de la Terre.
Parce que les amas de galaxies sont pleins de gaz, les premières théories à leur sujet prédisaient qu'à mesure que le gaz se refroidissait, les amas verraient des taux élevés de formation d'étoiles, qui ont besoin de gaz froid pour se former. Cependant, ces grappes ne sont pas aussi froides que prévu et, En tant que tel, ne produisaient pas de nouvelles étoiles au rythme attendu. Quelque chose empêchait le gaz de refroidir complètement. Les coupables étaient des trous noirs supermassifs, dont les explosions de plasma maintiennent le gaz dans les amas de galaxies trop chaud pour une formation rapide d'étoiles.
L'explosion enregistrée dans SPT-0528 a une autre particularité qui la distingue des autres explosions de trous noirs. C'est inutilement grand. Les astronomes considèrent le processus de refroidissement du gaz et de libération de gaz chaud par les trous noirs comme un équilibre qui maintient la température dans l'amas de galaxies – qui oscille autour de 18 millions de degrés Fahrenheit – stable. "C'est comme un thermostat, " dit McDonald. L'explosion dans SPT-0528, cependant, n'est pas à l'équilibre.
Selon Calzadilla, si vous regardez la quantité d'énergie libérée lorsque le gaz se refroidit sur le trou noir par rapport à la quantité d'énergie contenue dans l'explosion, l'explosion en fait largement trop. Dans l'analogie de McDonald's, l'explosion dans SPT-0528 est un thermostat défectueux. "C'est comme si vous refroidissiez l'air de 2 degrés, et la réponse du thermostat était de chauffer la pièce de 100 degrés, ", explique McDonald.
Plus tôt en 2019, McDonald et ses collègues ont publié un article sur un autre amas de galaxies, celui qui affiche un comportement complètement opposé à celui de SPT-0528. Au lieu d'une explosion inutilement violente, le trou noir dans cet amas, surnommé Phénix, n'est pas en mesure d'empêcher le gaz de refroidir. Contrairement à tous les autres amas de galaxies connus, Phoenix regorge de jeunes pépinières d'étoiles, ce qui le distingue de la majorité des amas de galaxies.
"Avec ces deux amas de galaxies, nous regardons vraiment les limites de ce qui est possible aux deux extrêmes, " McDonald dit de SPT-0528 et de Phoenix. Lui et Calzadilla caractériseront également les amas de galaxies plus normaux, afin de comprendre l'évolution des amas de galaxies au cours du temps cosmique. Pour explorer cela, Calzadilla caractérise 100 amas de galaxies.
La raison de caractériser une si grande collection d'amas de galaxies est que chaque image du télescope capture les amas à un moment précis, alors que leurs comportements se produisent au cours du temps cosmique. Ces grappes couvrent une gamme de distances et d'âges, permettant à Calzadilla d'étudier comment les propriétés des amas changent au cours du temps cosmique. "Ce sont des échelles de temps bien plus grandes qu'une échelle de temps humaine ou ce que nous pouvons observer, " explique Calzadilla.
La recherche est similaire à celle d'un paléontologue essayant de reconstituer l'évolution d'un animal à partir d'un enregistrement fossile clairsemé. Mais, au lieu d'os, Calzadilla étudie les amas de galaxies, allant de SPT-0528 avec sa violente explosion de plasma d'un côté à Phoenix avec son refroidissement rapide de l'autre. "Vous regardez différents instantanés dans le temps, " dit Calzadilla. " Si vous créez des échantillons suffisamment gros de chacun de ces instantanés, vous pouvez avoir une idée de l'évolution d'un amas de galaxies."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
