Les trous noirs supermassifs (SMBH) se cachent au centre de grandes galaxies comme la nôtre. De leur position dominante au cœur de la galaxie, ils se nourrissent de gaz, de poussière, d’étoiles et de tout ce qui s’éloigne trop près, devenant plus massifs au fil du temps. Mais dans de rares circonstances, un SMBH peut être forcé de quitter sa position et se précipiter dans l’espace en tant que SMBH voyou.
Dans un nouvel article, des chercheurs du Canada, d’Australie et des États-Unis présentent des preuves d’un SMBH voyou qui traverse l’espace et interagit avec le milieu circumgalactique (CGM). En cours de route, le géant crée des ondes de choc et déclenche la formation d’étoiles.
L’article est “Un candidat trou noir supermassif en fuite identifié par des chocs et la formation d’étoiles dans son sillage”. L’auteur principal est Pieter van Dokkum, professeur d’astronomie et de physique à l’université de Yale. Le document n’a pas encore été évalué par des pairs.
Si vous n’avez jamais entendu parler d’une SMBH en fuite, vous n’êtes pas seul. Les SMBH sont normalement verrouillés en place au centre des galaxies, et c’est là qu’ils restent. Mais les scientifiques pensent que dans de rares circonstances, les SMBH peuvent s’échapper de leurs galaxies. Dans leur article, les auteurs expliquent comment un SMBH peut être expulsé de sa galaxie hôte.
Cela commence toujours lorsque les galaxies fusionnent. Cela conduit à la formation d’un SMBH binaire au centre du résidu de fusion. Le SMBH binaire peut avoir une très longue durée de vie, survivant jusqu’à un milliard d’années avant de fusionner. Si pendant ce temps, un troisième SMBH atteint le centre galactique, alors une interaction à trois corps peut donner à l’un des SMBH une augmentation de vitesse, et il peut être chassé de la galaxie.
Mais malgré leurs fondements théoriques, il est difficile de trouver ces SMBH voyous. Les astronomes ont identifié l’un des meilleurs candidats en 2021, à environ 230 millions d’années-lumière. Les auteurs ont remarqué un mouvement et une vitesse particuliers qui indiquaient une perturbation récente. Mais ils n’ont pas pu conclure s’ils avaient vu une fusion de galaxies en cours, un système binaire de trous noirs ou un événement de recul d’ondes gravitationnelles.
Les astronomes reconnaissent plusieurs façons d’identifier un SMBH en fuite. Le moyen le plus simple est que le trou absorbe activement la matière en tant que noyau galactique actif et puisse être identifié par sa luminosité. “Pour de tels objets”, écrivent les auteurs, “la présence d’un SMBH ne fait aucun doute, mais il peut être difficile de déterminer s’il s’agit de trous noirs” nus “ou de noyaux de galaxies en fusion.”
Une autre façon est par la masse stellaire que le trou voyou entraîne avec lui. Lorsqu’un SMBH est éjecté, sa puissance gravitationnelle massive entraîne quelques étoiles avec lui. Mais sans la luminosité d’un AGN, la pénombre rend difficile l’identification du trou et de ses compagnons stellaires à grande distance.
Une troisième façon dont les astronomes pourraient reconnaître un SMBH voyou potentiel est par l’effet qu’il a sur le gaz diffus dans le milieu circumgalactique (CGM) lorsqu’il le traverse.
“L’interaction d’un trou noir supermassif en fuite avec le CGM peut conduire à la formation d’un sillage de gaz choqué et de jeunes étoiles derrière lui”, écrivent les auteurs. Dans leur article, ils rapportent la découverte fortuite d’une caractéristique linéaire dans les images de la caméra avancée de Hubble pour les enquêtes qui pourrait être l’un de ces sillages.
Lorsqu’un SMBH se déplace à travers l’hydrogène ionisé dans le CGM, il produit un front de choc avec un long sillage derrière lui. Dans le sillage, des nuages de gaz choqués peuvent se refroidir et former des étoiles qui ressemblent à des nœuds dans la traînée. Les chercheurs ont analysé trois des nœuds de la caractéristique linéaire et ont mesuré leur âge et leur métallicité.
La théorie et la modélisation montrent que les plus jeunes étoiles formées dans le sillage devraient avoir moins de 30 millions d’années environ. Lorsque les chercheurs ont mesuré leurs propriétés, ils ont constaté que les trois nœuds se situent dans la tranche d’âge définie par les modèles. Ils sont également dans la gamme des métallicités et de la teneur en poussière.
Si la galaxie hôte a éjecté un SMBH, la galaxie devrait montrer des signes de perturbation. Les SMBH sont extraordinairement massifs, et une telle masse ne peut pas se déplacer dans une galaxie sans la façonner. L’équipe a examiné la galaxie qui a engendré le SMBH voyou et a constaté que sa morphologie était perturbée.
Il existe cependant une autre explication possible de la caractéristique linéaire. Il pourrait s’agir d’un jet de trou noir plutôt que d’un SMBH voyou. Dans de bonnes conditions, les jets de trous noirs peuvent également choquer le gaz dans le CGM et conduire à la formation d’étoiles. “Il existe deux exemples proches bien étudiés de jets déclenchant la formation d’étoiles”, déclarent les auteurs. L’un d’eux s’appelle l’objet de Minkowski.
Les auteurs reconnaissent l’explication du jet de trou noir comme une possibilité, mais ils disent qu’elle pose trop de problèmes. Les lignes d’émission visibles ne sont pas une propriété des jets de trous noirs, et il n’y a aucune preuve d’activité nucléaire. Il y a aussi un problème de morphologie. “Un problème plus grave est que la morphologie de la caractéristique ne correspond pas aux simulations ou aux observations de la formation d’étoiles induite par le jet”, expliquent les auteurs.
Ils s’installent sur un SMBH en fuite comme la meilleure explication des données et des observations.
“Les rapports de ligne, les couleurs et la morphologie globale sont cohérents avec un SMBH éjecté se déplaçant à grande vitesse dans le CGM tout en déclenchant la formation d’étoiles”, écrivent-ils.
La localisation des trous noirs serait une preuve irréfutable de cette conclusion. “La preuve” irréfutable “de ce scénario serait l’identification sans ambiguïté des trous noirs eux-mêmes”, écrivent les chercheurs. “Les endroits évidents pour les chercher sont A et B sur la figure 6.”
“Ce sont des candidats pour des” systèmes stellaires hyper compacts “”, expliquent-ils.
La longue caractéristique de ces observations est très inhabituelle, il ne sera donc pas surprenant qu’elle ait une cause inhabituelle. Seules plus d’observations peuvent déterminer si des SMBH voyous sont au travail, et le JWST pourrait les fournir. “Des données plus profondes, par exemple, de l’IFU JWST NIRSPEC, peuvent montrer les larges lignes d’émission attendues, fortement décalées vers le rouge ou vers le bleu, de gaz ionisé lié aux trous noirs eux-mêmes. Ces données pourraient également résoudre spatialement les flux, les chocs et la formation d’étoiles près de A », déclarent les auteurs, en regardant vers l’avenir.
Et s’il existe une instance de SMBH en fuite créant ces fonctionnalités, il y en aura d’autres.
“Pour l’avenir, la morphologie de la caractéristique dans les images HST est si frappante qu’il ne devrait pas être trop difficile de trouver d’autres exemples s’ils existent. Les futures données du télescope Nancy Grace Roman peuvent être recherchées avec des algorithmes automatisés », expliquent-ils.
Un SMBH voyou déconnecté de sa galaxie et errant dans le milieu circumgalactique est un phénomène fascinant. Nous n’en sommes qu’aux premiers stades de la compréhension des SMBH, de leur lien avec la croissance des galaxies et de leur fusion pour produire des ondes gravitationnelles.
Découvrir qu’ils peuvent être expulsés de leurs galaxies hôtes ajoute une couche de complexité que seule la nature pourrait inventer.
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