De nouveaux trous noirs découverts dans des galaxies naines éclairent l’origine du trou noir supermassif de notre galaxie

En tant que galaxie spirale géante, la Voie lactée aurait été construite à partir de la fusion de nombreuses galaxies naines plus petites. Par exemple, les nuages ​​de Magellan vus dans le ciel austral sont des galaxies naines qui fusionneront avec la Voie lactée. Chaque naine qui tombe peut apporter avec elle un trou noir massif central, des dizaines ou des centaines de milliers de fois la masse de notre soleil, potentiellement destiné à être avalé par le trou noir supermassif central de la Voie lactée.

Mais la fréquence à laquelle les galaxies naines contiennent un trou noir massif est inconnue, ce qui laisse un vide majeur dans notre compréhension de la façon dont les trous noirs et les galaxies se développent ensemble. De nouvelles recherches publiées dans le Journal astrophysique contribue à combler cette lacune en révélant que les trous noirs massifs sont beaucoup plus fréquents dans les galaxies naines qu’on ne le pensait auparavant.

“Ce résultat m’a vraiment époustouflé parce que ces trous noirs se cachaient auparavant à la vue de tous”, a déclaré Mugdha Polimera, auteur principal de l’étude et titulaire d’un doctorat de l’UNC-Chapel Hill. élève.

Envoyer des messages contradictoires

Les trous noirs sont généralement détectés lorsqu’ils se développent activement en ingérant du gaz et de la poussière d’étoiles tourbillonnant autour d’eux, ce qui les fait briller intensément.

Sheila Kannappan, professeure à l’UNC-Chapel Hill, Ph.D. de Polimera. conseiller et co-auteur de l’étude, a comparé les trous noirs aux lucioles.

“Tout comme les lucioles, nous ne voyons les trous noirs que lorsqu’ils sont éclairés – lorsqu’ils grandissent – et ceux qui sont éclairés nous donnent un indice sur le nombre que nous ne pouvons pas voir.”

Le problème est que, tandis que les trous noirs en croissance brillent d’un rayonnement distinctif à haute énergie, les jeunes étoiles nouveau-nées le peuvent aussi. Traditionnellement, les astronomes ont différencié les trous noirs en croissance de la formation de nouvelles étoiles à l’aide de tests de diagnostic qui reposent sur des caractéristiques détaillées de la lumière visible de chaque galaxie lorsqu’elle est répartie dans un spectre comme un arc-en-ciel.

Le chemin vers la découverte a commencé lorsque des étudiants de premier cycle travaillant avec Kannappan ont essayé d’appliquer ces tests traditionnels aux données d’enquête sur les galaxies. L’équipe s’est rendu compte que certaines des galaxies envoyaient des messages contradictoires – deux tests indiqueraient la croissance de trous noirs, mais un troisième n’indiquerait que la formation d’étoiles.

“Des travaux antérieurs venaient de rejeter des cas ambigus comme ceux-ci de l’analyse statistique, mais j’avais le pressentiment qu’il pourrait s’agir de trous noirs non découverts dans des galaxies naines”, a déclaré Kannappan. Elle soupçonnait que le troisième test, parfois contradictoire, était plus sensible que les deux autres aux propriétés typiques des naines : leur composition élémentaire simple (principalement l’hydrogène primordial et l’hélium du Big Bang) et leur taux élevé de formation de nouvelles étoiles.

Le co-auteur de l’étude Chris Richardson, professeur agrégé à l’Université d’Elon, a confirmé avec des simulations théoriques que les résultats des tests de messages mixtes correspondaient exactement à ce que la théorie prédirait pour une galaxie naine à composition primordiale et hautement formatrice d’étoiles contenant un trou noir massif en croissance. “Le fait que mes simulations correspondent à ce que le groupe Kannappan a découvert m’a donné envie d’explorer les implications de l’évolution des galaxies”, a déclaré Richardson.

Un recensement des trous noirs en croissance

Polimera a relevé le défi de construire un nouveau recensement des trous noirs en croissance, en prêtant attention aux types de messages traditionnels et mixtes. Elle a obtenu des mesures publiées des caractéristiques spectrales de la lumière visible pour tester les trous noirs dans des milliers de galaxies trouvées dans deux enquêtes menées par Kannappan, RESOLVE et ECO. Ces relevés incluent des données ultraviolettes et radio idéales pour étudier la formation des étoiles, et ils ont une conception inhabituelle : alors que la plupart des relevés astronomiques sélectionnent des échantillons qui favorisent les galaxies grandes et brillantes, RESOLVE et ECO sont des inventaires complets d’énormes volumes de l’univers actuel dans lequel les galaxies naines sont abondantes.

“Il était important pour moi que nous ne biaisions pas notre recherche de trous noirs vers les galaxies naines”, a déclaré Polimera. “Mais en examinant l’ensemble du recensement, j’ai découvert que le nouveau type de trous noirs en croissance apparaissait presque toujours chez les nains. J’ai été surpris par les chiffres lorsque je les ai vus pour la première fois.”

Plus de 80% de tous les trous noirs en croissance qu’elle a trouvés dans les galaxies naines appartenaient au nouveau type.

Le résultat semblait trop beau. “Nous sommes tous devenus nerveux”, a déclaré Polimera. “La première question qui m’est venue à l’esprit était : Avons-nous raté une façon dont la formation extrême d’étoiles pourrait à elle seule expliquer ces galaxies ?” Elle a mené une recherche exhaustive d’explications alternatives impliquant la formation d’étoiles, les incertitudes de modélisation ou l’astrophysique exotique. En fin de compte, l’équipe a été forcée de conclure que les trous noirs nouvellement identifiés étaient réels.

“Nous nous pinçons toujours”, a déclaré Kannappan. “Nous sommes ravis de poursuivre un million d’idées de suivi. Les trous noirs que nous avons trouvés sont les éléments de base des trous noirs supermassifs comme celui de notre propre Voie lactée. Il y a tellement de choses que nous voulons apprendre à leur sujet.”

Cette recherche a été financée en partie par la National Science Foundation.