Un trou noir extraordinaire – différent de tous les autres – découvert dans une galaxie voisine

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Un trou noir extraordinaire - différent de tous les autres - découvert dans une galaxie voisine
Trou noir supermassif avec étoile déchirée

Cette impression d’artiste représente un trou noir. Crédit : ESA/Hubble, ESO, M. Kornmesser

La découverte, l’un des seuls trous noirs de masse intermédiaire confirmés, vit dans un objet tout aussi rare connu sous le nom de noyau dénudé de faible masse.

Les astronomes ont découvert un trou noir différent de tous les autres. Avec ses cent mille masses solaires, il est plus petit que les trous noirs que nous avons trouvés au centre des galaxies, mais plus grand que les trous noirs qui naissent lorsque les étoiles explosent. Cela en fait l’un des seuls trous noirs de masse intermédiaire confirmés, un objet recherché depuis longtemps par les astronomes.

“Nous avons de très bonnes détections des plus grands trous noirs de masse stellaire, jusqu’à 100 fois la taille de notre soleil, et des trous noirs supermassifs au centre des galaxies qui font des millions de fois la taille de notre soleil, mais il n’y a pas de mesures de trous noirs entre ceux-ci. C’est une grande lacune”, a déclaré l’auteur principal Anil Seth, professeur associé d’astronomie à l’Université de l’Utah et co-auteur de l’étude. “Cette découverte comble cette lacune”.

Galaxie d'Andromède M31 NASA Galaxy Evolution Explorer

La galaxie d’Andromède, ou M31, est la plus grande voisine galactique de notre Voie lactée. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Le trou noir était caché dans B023-G078, un énorme amas d’étoiles dans notre galaxie voisine la plus proche, Andromède. Longtemps considéré comme un amas d’étoiles globulaire, les chercheurs affirment que B023-G078 est plutôt un noyau dénudé. Les noyaux dépouillés sont les restes de petites galaxies qui sont tombées dans des galaxies plus grandes et dont les étoiles extérieures ont été arrachées par les forces gravitationnelles. Ce qui reste est un noyau minuscule et dense en orbite autour de la plus grande galaxie et au centre de ce noyau, un trou noir.

“Auparavant, nous avons trouvé de grands trous noirs à l’intérieur de noyaux massifs et dénudés qui sont beaucoup plus grands que B023-G078. Nous savions qu’il devait y avoir des trous noirs plus petits dans des noyaux dénudés de masse plus faible, mais il n’y avait jamais eu de preuve directe”, a déclaré l’auteur principal Renuka Pechetti de l’Université John Moores de Liverpool, qui a commencé la recherche alors qu’il était à l’Université. “Je pense que c’est un cas assez clair que nous avons finalement trouvé un de ces objets.”

Le site étude était publiée le 11 janvier 2022 dans The Astrophysical Journal.

B023-G78

Le panneau de gauche montre une image à grand champ de M31 avec la boîte rouge et l’encart montrant l’emplacement et l’image de B023-G78 où le trou noir a été trouvé. Crédit : Iván Éder, https://www.astroeder.com/ ; HST ACS/HRC

Une intuition vieille de plusieurs décennies

B023-G078 était connu comme un amas massif d’étoiles globulaires – une collection sphérique d’étoiles étroitement liées par la gravité. Cependant, une seule observation de l’objet avait permis de déterminer sa masse globale, environ 6,2 millions de masses solaires. Pendant des années, Seth a eu le sentiment qu’il s’agissait de quelque chose d’autre.

“Je savais que l’objet B023-G078 était l’un des objets les plus massifs d’Andromède et je pensais qu’il pouvait être un candidat pour un noyau dénudé. Mais nous avions besoin de données pour le prouver. Pendant de très nombreuses années, nous avons sollicité différents télescopes pour obtenir davantage d’observations et mes propositions ont toujours échoué”, a déclaré Seth. “Lorsque nous avons découvert un trou noir supermassif à l’intérieur d’un noyau dépouillé en 2014, l’Observatoire Gemini nous a donné la possibilité d’explorer cette idée.”

Avec leurs nouvelles données d’observation de l’observatoire Gemini et les images de l’observatoire. Télescope spatial HubblePechetti, Seth et leur équipe ont calculé la répartition de la masse au sein de l’objet en modélisant son profil lumineux. Un amas globulaire a un profil lumineux caractéristique qui a la même forme près du centre que dans les régions extérieures. B023-G078 est différent. La lumière au centre est ronde et s’aplatit ensuite vers l’extérieur. La composition chimique des étoiles change également, avec plus d’éléments lourds dans les étoiles du centre que dans celles proches du bord de l’objet.

“Les amas globulaires d’étoiles se forment essentiellement au même moment. En revanche, ces noyaux dénudés peuvent connaître des épisodes de formation répétés, où le gaz tombe au centre de la galaxie, et forme des étoiles. Et d’autres amas d’étoiles peuvent être entraînés vers le centre par les forces gravitationnelles de la galaxie”, explique Seth. “C’est une sorte de dépotoir pour un tas de choses différentes. Ainsi, les étoiles dans les noyaux dénudés seront plus compliquées que dans les amas globulaires. Et c’est ce que nous avons vu dans B023-G078.”

Les chercheurs ont utilisé la distribution de la masse de l’objet pour prédire la vitesse à laquelle les étoiles devraient se déplacer à n’importe quel endroit de l’amas.et l’ont comparé à leurs données. Les étoiles les plus rapides tournaient autour du centre. Lorsqu’ils ont construit un modèle sans inclure un trou noir, les étoiles au centre étaient trop lentes par rapport à leurs observations. Lorsqu’ils ont ajouté le trou noir, ils ont obtenu des vitesses qui correspondaient aux données. Le trou noir ajoute à la preuve que cet objet est un noyau dénudé.

“Les vitesses stellaires que nous obtenons nous donnent des preuves directes qu’il y a une sorte de masse sombre juste au centre”, a déclaré Pechetti. “Il est très difficile pour les amas globulaires de former de grands trous noirs. Mais si c’est dans un noyau dépouillé, alors il doit déjà y avoir un trou noir présent, laissé comme un vestige de la petite galaxie qui est tombée dans la plus grande.”

Les chercheurs espèrent observer d’autres noyaux dénudés qui pourraient contenir d’autres trous noirs de masse intermédiaire. Ces derniers permettent d’en apprendre davantage sur la population de trous noirs au centre des galaxies de faible masse et sur la façon dont les galaxies sont construites à partir de blocs de construction plus petits.

“Nous savons que les grandes galaxies se forment généralement par la fusion de galaxies plus petites, mais ces noyaux dénudés nous permettent de déchiffrer les détails de ces interactions passées”, a déclaré Seth.

Référence : “Détection d’un noyau de 100 000 M trou noir dans l’amas globulaire le plus massif de M31 : A Tidally Stripped Nucleus” par Renuka Pechetti, Anil Seth, Sebastian Kamann, Nelson Caldwell, Jay Strader, Mark den Brok, Nora Luetzgendorf, Nadine Neumayer et Karina Voggel, 11 janvier 2022, The Astrophysical Journal.
DOI : 10.3847/1538-4357/ac339f

Les autres auteurs sont Sebastian Kamann de l’Université John Moores de Liverpool, Nelson Caldwell du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian, Jay Strader de l’Université d’État du Michigan, Mark den Brok de l’Institut Leibniz d’astrophysique de Potsdam, Nora Luetzgendorf de l’Agence spatiale européenne, Nadine Neumayer de l’Institut Max Planck d’astronomie et Karina Voggel de l’Observatoire astronomique de Strasbourg.

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