Un trou noir extraordinaire découvert dans une galaxie voisine

“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 sont des millions de fois la taille de notre soleil, mais il n’y en a pas. toutes les mesures de noir entre celles-ci. C’est un grand écart », a déclaré l’auteur principal Anil Seth, professeur agrégé d’astronomie à l’Université de l’Utah et co-auteur de l’étude. “Cette découverte comble le vide.”

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 globulaires, les chercheurs affirment que B023-G078 est plutôt un noyau dépouillé. Les noyaux dépouillés sont des restes de petites galaxies qui sont tombées dans de plus grandes et dont les étoiles extérieures ont été dépouillées par les forces gravitationnelles. Ce qui reste est un minuscule noyau dense en orbite autour de la plus grande galaxie et au centre de ce noyau, un trou noir.

“Auparavant, nous avions trouvé de gros trous noirs dans des noyaux massifs et dépouillés beaucoup plus gros que B023-G078. Nous savions qu’il devait y avoir des trous noirs plus petits dans des noyaux dépouillés de masse inférieure, mais il n’y a jamais eu de preuves directes”, a déclaré l’auteur principal. Renuka Pechetti de l’Université John Moores de Liverpool, qui a commencé la recherche à l’Université de l’Utah. “Je pense que c’est un cas assez clair que nous avons finalement trouvé l’un de ces objets.”

L’étude publiée le 11 janvier 2022 dans Le Journal d’Astrophysique.

Une intuition de plusieurs décennies

B023-G078 était connu comme un amas d’étoiles globulaire massif – une collection sphérique d’étoiles étroitement liées par la gravité. Cependant, il n’y avait eu qu’une seule observation de l’objet qui a déterminé sa masse globale, environ 6,2 millions de masses solaires. Pendant des années, Seth a eu le sentiment que c’était autre chose.

“Je savais que l’objet B023-G078 était l’un des objets les plus massifs d’Andromède et je pensais qu’il pourrait être un candidat pour un noyau dépouillé. Mais nous avions besoin de données pour le prouver. Nous avions postulé auprès de divers télescopes pour obtenir plus d’observations. pendant de très nombreuses années et mes propositions ont toujours échoué », a déclaré Seth. “Lorsque nous avons découvert un trou noir supermassif dans un noyau dépouillé en 2014, l’Observatoire Gemini nous a donné la chance d’explorer l’idée.”

Avec leurs nouvelles données d’observation de l’observatoire Gemini et des images du télescope spatial Hubble, Pechetti, Seth et leur équipe ont calculé la répartition de la masse dans 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 puis devient plus plate en se déplaçant vers l’extérieur. La composition chimique des étoiles change également, avec plus d’éléments lourds dans les étoiles au centre que ceux près du bord de l’objet.

“Les amas d’étoiles globulaires se forment essentiellement en même temps. En revanche, ces noyaux dépouillés peuvent avoir 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 au centre par la force gravitationnelle. forces de la galaxie », a déclaré Seth. “C’est une sorte de dépotoir pour un tas de choses différentes. Ainsi, les étoiles dans les noyaux dépouillés 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 masse de l’objet pour prédire la vitesse à laquelle les étoiles devraient se déplacer à un endroit donné de l’amas et l’ont comparée à leurs données. Les étoiles les plus rapides étaient en orbite autour du centre. Lorsqu’ils ont construit un modèle sans inclure de 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 dépouillé.

“Les vitesses stellaires que nous obtenons nous donnent la preuve directe qu’il y a une sorte de masse noire en plein 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 plus petite galaxie qui est tombée dans la plus grande.”

Les chercheurs espèrent observer davantage de noyaux dépouillés susceptibles de contenir davantage de trous noirs de masse intermédiaire. Ce sont l’occasion d’en savoir plus sur la population de trous noirs au centre des galaxies de faible masse et d’apprendre comment les galaxies sont construites à partir de blocs de construction plus petits.

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

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