La cartographie des vitesses stellaires autour d’une galaxie elliptique géante révèle sa structure asymétrique

Vue de la Terre, la galaxie elliptique géante M87 n’est qu’une tache bidimensionnelle, pourtant parfaitement symétrique et donc une cible privilégiée des astronomes amateurs.

Pourtant, une nouvelle analyse très détaillée du mouvement des étoiles autour de son trou noir supermassif central – le premier trou noir à être imagé par le télescope Event Horizon (EHT) en 2019 – révèle qu’il n’est pas aussi parfait qu’il en a l’air.

En fait, M87 est très asymétrique, comme une pomme de terre rousse. L’axe le plus court de la galaxie est d’environ les trois quarts (72,2%) de la longueur de son axe long, tandis que l’axe intermédiaire est d’environ sept huitièmes (84,5%) de celle de l’axe long.

Sachant cela, les astronomes de l’Université de Californie à Berkeley ont pu déterminer la masse du trou noir supermassif au cœur de la galaxie avec une grande précision, l’estimant à 5,37 milliards de fois la masse du soleil. En comparaison, notre propre Voie lactée a en son centre un trou noir massif de seulement 4 millions de fois la masse du soleil.

Ils ont également pu mesurer la rotation de la galaxie, qui est relativement calme de 25 kilomètres par seconde. Fait intéressant, il ne tourne pas autour de l’un des axes principaux de la galaxie, mais plutôt autour d’un axe éloigné de 40 degrés de l’axe long de son image 2D, comme observé par le télescope spatial Hubble.

La reconstruction stéréo de la galaxie M87 et le chiffre plus précis de la masse du trou noir central pourraient aider les astrophysiciens à découvrir une caractéristique du trou noir qu’ils n’avaient aucun moyen de déterminer auparavant pour un trou noir : son spin.

“Maintenant que nous connaissons la direction de la rotation nette des étoiles dans M87 et que nous avons une masse mise à jour du trou noir, nous pouvons combiner ces informations avec les données étonnantes de l’équipe EHT pour limiter la rotation”, a déclaré Chung-Pei Ma, un professeur d’astronomie et de physique de l’UC Berkeley qui a dirigé la recherche. “Cela peut indiquer une certaine direction et une certaine plage de spin pour le trou noir, ce qui serait remarquable. Nous y travaillons.”

Des analyses plus approfondies pour déterminer la véritable forme des galaxies elliptiques géantes – les galaxies avec les plus grands trous noirs en leur cœur – aideront les astronomes à mieux comprendre comment se forment les grandes galaxies et les grands trous noirs et pourraient aider les astronomes à mieux interpréter les signaux des ondes gravitationnelles. Ma dirige une étude à long terme des trous noirs supermassifs qui est surnommée MASSIVE.

Les résultats ont été publiés en ligne le 15 mars dans Les lettres du journal astrophysique (Lettres ApJ).

Déterminer la forme 3D d’une galaxie

Alors que les galaxies spirales ont tendance à être petites, à tourner rapidement et à avoir une forme de crêpe bien connue, les galaxies elliptiques géantes tournent lentement et ont une apparence blobby, leur forme 3D difficile à discerner. Comme M87, la plus grande galaxie de l’énorme amas de galaxies de la Vierge, les galaxies elliptiques géantes sont issues de la fusion de nombreuses autres galaxies. C’est probablement la raison pour laquelle le trou noir central de M87 est si grand – il a assimilé les trous noirs centraux de toutes les galaxies qu’il a avalées. En tout, la galaxie contient environ 100 milliards d’étoiles, 10 fois plus grandes que la Voie lactée.

Ma, Emily Liepold, étudiante diplômée de l’UC Berkeley et auteure principale, et Jonelle Walsh de la Texas A&M University à College Station ont pu déterminer la forme 3D de M87 grâce à un instrument de précision relativement nouveau monté sur le télescope Keck II, l’un des jumeaux 10 télescopes Keck de mètre au sommet du Mauna Kea, un volcan d’Hawai’i. Appelé Keck Cosmic Web Imager (KCWI), le spectromètre de champ intégral a permis à Ma et à son équipe de mesurer le spectre des étoiles au centre de la galaxie.

Ils ont pointé le télescope sur 62 emplacements adjacents dans la galaxie, couvrant complètement une région d’environ 70 000 années-lumière de diamètre, et ont enregistré les spectres des étoiles dans cette région. Les observations couvrent la région centrale – environ 3 000 années-lumière de diamètre – où la gravité est largement dominée par le trou noir supermassif, ainsi que la partie externe dominée par la matière noire. Bien que le télescope ne puisse pas résoudre les étoiles individuelles – M87 se trouve à environ 53 millions d’années-lumière de la Terre – les spectres peuvent révéler la gamme de vitesses dans chaque pixel de chaque image, suffisamment d’informations pour calculer la masse gravitationnelle autour de laquelle elles orbitent.

“C’est un peu comme regarder un essaim de 100 milliards d’abeilles qui tournent autour de leurs propres orbites heureuses”, a déclaré Ma, professeur Judy Chandler Webb en sciences physiques. “Bien que nous les regardions de loin et que nous ne puissions pas discerner les abeilles individuellement, nous obtenons des informations très détaillées sur leurs vitesses collectives. C’est vraiment la superbe sensibilité de ce spectrographe qui nous a permis de cartographier M87 de manière si complète.”

C’est la première fois que KCWI est utilisé pour reconstruire la géométrie d’une galaxie lointaine, et M87 est l’une des rares galaxies elliptiques géantes dont la structure 3D a été déterminée. L’équipe de Ma avait précédemment déterminé la structure 3D de deux autres galaxies elliptiques géantes, NGC 1453 et NGC 2693, toutes deux abritant des trous noirs plus petits que M87.

Les chercheurs ont pris les données obtenues au cours de quatre nuits d’observations de Keck entre 2020 et 2022, ainsi que des données photométriques antérieures pour M87 du télescope spatial Hubble de la NASA, et les ont comparées aux prédictions de modèles informatiques sur la façon dont les étoiles se déplacent au centre d’une galaxie triaxiale. Le meilleur ajustement aux données – des rapports axiaux de 1 à 0,84 à 0,72 – leur a ensuite permis de calculer la masse du trou noir.

“Les données de Keck sont si bonnes que nous pouvons mesurer la forme intrinsèque de M87 avec le trou noir en même temps”, a déclaré Ma. “Nous avons fait la première mesure de la forme 3D réelle de la galaxie. Et puisque nous avons permis à l’essaim d’abeilles d’avoir une forme plus générale qu’une simple sphère ou un disque, nous avons une mesure dynamique plus robuste de la masse du noir central. trou qui régit les vitesses orbitales des abeilles.”

Les auteurs ont dédié leur manuscrit au regretté astronome Wallace “Wal” Sargent, qui a été le premier à suggérer qu’un trou noir supermassif se cachait au centre de M87 et a calculé sa masse à environ 5 milliards de masses solaires.

“Son numéro est un jeu d’enfant avec nos barres d’erreur, ce qui est très intéressant à voir après des décennies de travail”, a déclaré Ma, qui attribue à Sargent le rôle de mentor lorsqu’elle était boursière postdoctorale au California Institute of Technology.

La précédente estimation de la masse du trou noir supermassif dans M87, publiée en 2011, était basée sur une analyse similaire du mouvement dynamique des étoiles autour du trou noir, bien que cette étude supposait que la galaxie était axisymétrique. Le nombre, 6,14 milliards de masses solaires, se situe dans les barres d’erreur de la nouvelle estimation plus précise. Lors de l’imagerie du trou noir il y a quatre ans, les scientifiques de l’EHT ont estimé que la masse du trou noir était de 6,5 milliards de masses solaires, soit 21 % de plus que le nouveau nombre.

Fait intéressant, la matière noire dans le volume de la galaxie qu’ils ont analysé est beaucoup plus élevée que celle du trou noir – environ 388 milliards de masses solaires, soit 67 % de la masse totale de M87. Bien que l’identité de la matière noire reste un mystère, elle représente environ 85 % de la masse de l’univers.

Jonelle Walsh travaille au George P. and Cynthia Woods Mitchell Institute for Fundamental Physics and Astronomy à Texas A&M. Les travaux ont été financés par la National Science Foundation (AST-1817100, AST-2206307), la Fondation Heising-Simons et le Miller Institute for Basic Research in Science.