Un trou noir supermassif expulsé de sa galaxie

Publié par Adrien le 15/05/2022 à 09:00
Source: Observatoire de Paris
Lorsque deux galaxies fusionnent, les trous noirs supermassifs qui se cachent dans leurs noyaux fusionnent rapidement. Leur énergie orbitale relative sera rayonnée par les ondes gravitationnelles. Si cette dernière émission est fortement anisotrope, cela produira un recul du trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...) résultant de la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) qui sera expulsé. L'événement est difficile à détecter et seuls des candidats ont été observés.

Dans un travail récent, une équipe internationale comprenant des chercheurs de l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique...) - PSL, a détecté le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) moléculaire de la galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...) rémanente du candidat 3C186, ce qui confirme que le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson,...) massif (Le mot massif peut être employé comme :) a été éjecté de sa galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de...) à 2000km/s, et à une distance projetée de 24 000 années lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...).


Image HST en ultra-violet de la galaxie 3C 186 (Morishita et al. 2022 arXiv220412499). Les contours verts et bleus affichent la carte NOEMA aux longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) millimétriques (Castignani et al. 2022 arXiv220405882). Ils montrent un net décalage de 8 kpc entre le réservoir de gaz moléculaire de la galaxie hôte (vert) et le continuum d'émission de la source radio/quasar (bleu).

Les fusions de galaxies sont des mécanismes fondamentaux régulant la croissance des galaxies et l'évolution des trous noirs super massifs (SMBH) en leurs centres. Lorsque le SMBH fusionne, une fraction de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de liaison du SMBH est convertie en ondes gravitationnelles (GW). En cas d'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction....) de cette émission GW, le SMBH résultant de la fusion peut recevoir une impulsion de recul. Des déplacements mesurables des SMBH par rapport au centre de leur galaxie hôte ont été théoriquement prédits, résultant des reculs GW. Cependant, jusqu'à présent, il n'y a pas eu de détection sans ambiguïté de tels déplacements. Une telle détection aurait un impact énorme sur notre compréhension de l'évolution des galaxies et des structures à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...).

Afin de relever ce défi, une équipe internationale de chercheurs a étudié 3C 186, une puissante source radio extra-galactique, à une distance de 8 milliards d'années-lumière de la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), qui s'est imposée comme un plausible candidat de recul GW. L'équipe a étudié le gaz moléculaire de la galaxie 3C 186, en utilisant le Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) au Plateau de Bure, dans les Alpes françaises.

Dans une Astronomy and Astrophysics Letter qui vient d'être publiée, ils rapportent de nouvelles observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) de 3C 186 à des longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) millimétriques, à une résolution et une sensibilité sans précédent. Ils ont pu détecter l'émission de CO de la galaxie, et découvrir un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une...) moléculaire de 8x1010 Msun, tournant autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du centre de la galaxie. Ce disque est clairement décalé de 8kpc en projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de...) de la source radio/quasar, révélé par les régions de très hautes vitesses autour du trou noir massif (voir illustration). De plus, la ligne CO révèle que la vitesse (On distingue :) de la galaxie et du quasar (Une « source de rayonnement quasi-stellaire » (quasar), (quasi-stellar radio...) sont décalées de 2000 km/s, le long de la ligne de visée. L'étude rapporte ainsi la première confirmation d'un recul GW via des observations millimétriques à haute résolution. Ces observations interférométriques étaient en effet vitales (Les Vitales sont un ordre de plantes dicotylédones. Cet ordre a été réintroduit...) pour tester le scénario de recul GW, car elles sondent à la fois le réservoir de gaz moléculaire qui est le carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme...) de la formation d'étoiles dans la galaxie hôte ainsi que l'émission continue associée à la source radio, qui est finalement alimentée par l'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par...) sur le SMBH.

Le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) observé est en accord remarquable avec les prédictions théoriques des impulsions de recul des GW. Ceci est interprété par l'équipe comme le résultat d'un fort recul des ondes gravitationnelles lorsque deux SMBH ont fusionné après la fusion de leurs galaxies hôtes. Ce serait l'événement le plus énergique jamais observé: une fusion majeure de SMBH de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) comparable.

Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour les radiotélescopes de nouvelle génération, tels que le Square Kilometre Array (SKA) et le pulsar-timing array (PTA), un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) géant de radiotélescopes, surveillant (Un surveillant ou conseiller d’éducation ou assistant d’éducation, est une...) des centaines de pulsars. Ils seront directement sensibles aux GW émis par les SMBH en coalescence de masses similaires à celles que l'on s'attend à trouver dans des sources radio telles que 3C 186.

Référence:
Castignani, G., Meyer, E., Chiaberge, M., Combes F. et al: 2022, NOEMA observations support a recoiling black hole in 3C186, Astronomy & Astrophysics Letters, 661, L2 www.aanda.org
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