Les noyaux galactiques regorgent de trous noirs. Plus tôt cette année, 12 binaires à rayons X ont été découverts au centre de la Voie lactée, ce qui suggère que des milliers de trous noirs pourraient se cacher dans cette région. Une étude récente montre que ces trous noirs stellaires devraient orbiter dans un disque autour du trou noir supermassif central.

Les observations montrent que les centres de la plupart des galaxies abritent un trou noir supermassif. L'immense gravité de ces objets agit pour collecter une population dense de millions d'étoiles et plusieurs milliers de trous noirs de masse stellaire en quelques années-lumière. Les astrophysiciens ont simulé les interactions des orbites stellaires dans ces régions et ont découvert que les trous noirs s'installent dans des structures auparavant inattendues. Les résultats montrent que les objets les plus massifs de la population stellaire forment une structure de disque épais autour du trou noir supermassif dans les noyaux galactiques.

"Auparavant, on pensait que les orbites des objets stellaires légers et massifs étaient réparties de manière isotrope autour du trou noir supermassif. Nous comprenons maintenant que les étoiles massives et les trous noirs se séparent généralement en un disque, " a déclaré Ákos Szölgyén de l'Université d'Eötvös, Hongrie, qui a dirigé l'étude publiée dans la revue Lettres d'examen physique .

Szölgyén et son doctorat. conseiller Bence Kocsis à l'Université Eötvös, Hongrie, incorporé un effet supplémentaire important dans leur simulation, à savoir la relaxation résonnante vectorielle. Cet effet représente une petite composante du couple gravitationnel parmi les objets en orbite qui s'accumule sur des millions d'années et devient dominant sur de longues échelles de temps. En conséquence, les plans orbitaux des objets autour du trou noir supermassif tournent lentement.

"Contrairement à un essaim d'abeilles autour d'une ruche, les étoiles volent autour du centre galactique d'une manière plus ordonnée :le long de trajectoires elliptiques précessantes, chacun confiné dans un avion, respectivement. Les interactions entre de telles orbites planes remanient lentement leurs orientations sur des millions d'années, " a expliqué Bence Kocsis.

Les chercheurs ont simulé les interactions des orbites stellaires dans les amas d'étoiles nucléaires tout au long de l'histoire cosmique depuis leur formation.

« D'après nos connaissances actuelles, les amas d'étoiles nucléaires peuvent se former de deux manières différentes. La première suggère que le gaz s'est envolé vers le centre de la Galaxie et a formé des étoiles in situ autour du trou noir supermassif. L'autre modèle suppose que d'anciens amas globulaires se sont enroulés dans le centre galactique où les forces de marée du trou noir supermassif les ont déchirés et ont peuplé la région centrale de leur contenu stellaire. Il est probable que les deux processus aient été d'égale importance dans la formation de l'amas d'étoiles nucléaires, " a déclaré Ákos Szölgyén.

Dans les deux modèles, les orbites stellaires initiales ont formé des disques autour du trou noir supermassif central. L'orientation de ces disques est définie par la direction à partir de laquelle le gaz ou les amas globulaires en chute se sont approchés du centre. Avec le temps, ces disques d'étoiles interagissent gravitationnellement et l'hypothèse antérieure était qu'ils finissaient par se dissoudre. Cependant les étoiles plus massives, qui finissent par se transformer en trous noirs, couler sur des orbites à faible inclinaison dans le disque de la même manière que les particules les plus massives coulent au fond d'un conteneur. Les physiciens ont découvert ce phénomène dans les simulations et ont constaté que les disques d'objets massifs peuvent avoir une longue durée de vie.

"Alors que le système stellaire évolue pour remplir la région de l'espace disponible sous forme de gaz dans un conteneur, certains de ses constituants, c'est-à-dire les objets massifs, ne peut pas atteindre la distribution sphérique la plus désordonnée. L'interaction gravitationnelle entre eux fait que ces objets se déposent dans un état d'entropie inférieure, " a expliqué Bence Kocsis. "Ceci est très similaire au processus de brisure spontanée de symétrie connu en physique des particules et en physique de la matière condensée."

Ils ont également étudié ce qui se passe avec les objets stellaires légers et de masse intermédiaire dans cette région. Alors que les orbites des objets de masse intermédiaire, comme les étoiles de type B, a montré une petite quantité d'anisotropie, les calculs ont montré que les objets légers, comme les anciennes étoiles de la séquence principale comme le Soleil, étoiles à neutrons, et les naines blanches se comportent fondamentalement différemment. Les objets stellaires légers ont atteint une distribution sphérique dans le noyau galactique dans la simulation. Ces résultats sont cohérents avec les observations du centre de la Voie Lactée à proximité du trou noir supermassif central avec une population sphérique d'anciennes étoiles de faible masse, une distribution anisotrope des étoiles B, et un disque déformé de jeunes étoiles massives.

Bien qu'il n'y ait qu'une douzaine de candidats trous noirs connus dans le Centre Galactique, les chercheurs concluent que les trous noirs, qui sont généralement plus massives que les étoiles se cachent dans le disque des étoiles massives.

La découverte peut avoir des implications importantes sur la compréhension de la dynamique stellaire des noyaux galactiques, évolution des galaxies, et l'origine des ondes gravitationnelles.

"Si des milliers de trous noirs résident dans un disque autour du trou noir supermassif central, ils peuvent collectivement déformer et percer les nuages ​​de gaz ambiants dans les noyaux galactiques actifs à partir desquels des écoulements hautement énergétiques sont observés. Ces sorties peuvent affecter fondamentalement la structure à grande échelle de la galaxie hôte, même à des milliers d'années-lumière, " a déclaré Bence Kocsis. "Mais la question la plus excitante est de savoir si la distribution prévue des disques de trous noirs peut expliquer le taux élevé de fusions observé dans les ondes gravitationnelles par LIGO et Virgo."