Une simulation simple conduit accidentellement à une galaxie en forme de X pour la première fois

Bien que ces mystérieuses radiogalaxies en forme de X aient déconcerté les astrophysiciens pendant deux décennies, une nouvelle étude de la Northwestern University jette un nouvel éclairage sur la façon dont elles se forment – ​​et c’est étonnamment simple. L’étude a également révélé que les radiogalaxies en forme de X pourraient être plus courantes qu’on ne le pensait auparavant.

L’étude sera publiée le 29 août dans le Lettres du journal astrophysique. Il s’agit de la première simulation d’accrétion de galaxies à grande échelle qui suit le gaz galactique loin du trou noir supermassif jusqu’à lui.

Des conditions simples conduisent à un résultat désordonné

À l’aide de nouvelles simulations, les astrophysiciens du Nord-Ouest ont mis en place des conditions simples pour modéliser l’alimentation d’un trou noir supermassif et la formation organique de ses jets et de son disque d’accrétion. Lorsque les chercheurs ont exécuté la simulation, les conditions simples ont conduit de manière organique et inattendue à la formation d’une radiogalaxie en forme de X.

Étonnamment, les chercheurs ont découvert que la forme en X caractéristique de la galaxie résultait de l’interaction entre les jets et le gaz tombant dans le trou noir. Au début de la simulation, le gaz entrant a dévié les jets nouvellement formés, qui se sont allumés et éteints, ont oscillé de manière erratique et ont gonflé des paires de cavités dans différentes directions pour ressembler à une forme en X. Finalement, cependant, les jets sont devenus assez puissants pour faire passer le gaz. À ce stade, les jets se sont stabilisés, ont cessé de vaciller et se sont propagés le long d’un axe.

“Nous avons constaté que même avec de simples conditions initiales symétriques, vous pouvez avoir un résultat assez désordonné”, a déclaré Aretaios Lalakos de Northwestern, qui a dirigé l’étude. “Une explication populaire des radiogalaxies en forme de X est que deux galaxies entrent en collision, provoquant la fusion de leurs trous noirs supermassifs, ce qui modifie la rotation du trou noir résiduel et la direction du jet. Une autre idée est que la forme du jet est modifiée comme il interagit avec un gaz à grande échelle enveloppant un trou noir supermassif isolé. Maintenant, nous avons révélé, pour la première fois, que les radiogalaxies en forme de X peuvent, en fait, se former d’une manière beaucoup plus simple.”

Lalakos est étudiant diplômé du Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre du Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique (CIERA). Il est co-dirigé par le co-auteur de l’article Sasha Tchekhovskoy, professeur adjoint de physique et d’astronomie à Northwestern et membre clé du CIERA, et Ore Gottlieb, boursier postdoctoral du CIERA.

Une forme en X accidentelle

Bien que les radiogalaxies émettent de la lumière visible, elles englobent également de vastes régions d’émission radio. La radiogalaxie la plus célèbre est peut-être M87, l’une des galaxies les plus massives de l’univers, qui a été encore popularisée en 2019 lorsque le télescope Event Horizon a imagé son trou noir supermassif central. Inventées pour la première fois en 1992, les radiogalaxies en forme de X représentent moins de 10 % de toutes les radiogalaxies.

Lorsque Lalakos a entrepris de modéliser un trou noir, il ne s’attendait pas à simuler une galaxie en forme de X. Au lieu de cela, il visait à mesurer la quantité de masse consommée par un trou noir. Il a saisi des conditions astronomiques simples dans la simulation et l’a laissée fonctionner. Lalakos n’a pas initialement reconnu l’importance de la forme en X émergente, mais Tchekhovskoy a réagi avec une ferveur enthousiaste.

“Il a dit:” Mec, c’est très important! C’est une forme en X! “”, A déclaré Lalakos. “Il m’a dit que les astronomes avaient observé cela dans la vraie vie et ne savaient pas comment ils se sont formés. Nous l’avons créé d’une manière que personne n’avait même spéculée auparavant.”

Dans les simulations précédentes, d’autres astrophysiciens ont tenté de créer artificiellement des structures en forme de X afin d’étudier leur apparition. Mais la simulation de Lalakos a naturellement conduit à la forme en X.

“Dans ma simulation, j’ai essayé de ne rien supposer”, a déclaré Lalakos. “Habituellement, les chercheurs placent un trou noir au milieu d’une grille de simulation et placent un grand disque gazeux déjà formé autour de lui, puis ils peuvent ajouter du gaz ambiant à l’extérieur du disque. Dans cette étude, la simulation commence sans disque, mais bientôt un se forme lorsque le gaz en rotation se rapproche du trou noir. Ce disque alimente alors le trou noir et crée des jets. J’ai fait les hypothèses les plus simples possibles, donc tout le résultat a été une surprise. C’est la première fois que quelqu’un a vu X morphologie en forme dans des simulations à partir de conditions initiales très simples.”

“Pas la chance de les voir”

Parce que la forme en X n’est apparue qu’au début de la simulation – jusqu’à ce que les jets se renforcent et se stabilisent – Lalakos pense que les radiogalaxies en forme de X pourraient apparaître plus fréquemment, mais durer très peu de temps, dans l’univers qu’on ne le pensait auparavant.

“Ils pourraient survenir chaque fois que le trou noir reçoit un nouveau gaz et recommence à manger”, a-t-il déclaré. “Donc, ils peuvent se produire fréquemment, mais nous n’aurons peut-être pas la chance de les voir car ils ne se produisent que tant que la puissance du jet est trop faible pour éloigner le gaz.”

Ensuite, Lalakos prévoit de continuer à exécuter des simulations pour mieux comprendre comment ces formes en X apparaissent. Il a hâte d’expérimenter la taille des disques d’accrétion et les spins des trous noirs centraux. Dans d’autres simulations, Lalakos a inclus des disques d’accrétion qui étaient presque inexistants jusqu’à extrêmement grands – aucun n’a conduit à la forme en X insaisissable.

“Pour la majeure partie de l’univers, il est impossible de zoomer en plein centre et de voir ce qui se passe très près d’un trou noir”, a déclaré Lalakos. “Et même les choses que nous pouvons observer, nous sommes contraints par le temps. Si le trou noir supermassif est déjà formé, nous ne pouvons pas observer son évolution car la durée de vie humaine est trop courte. Dans la plupart des cas, nous nous appuyons sur des simulations pour comprendre ce qui se passe près d’un trou noir.”

Vidéo: https://youtu.be/bqigJa1G4k0

L’étude a été soutenue par la National Science Foundation (numéros de subvention AST-2107839, AST-1815304, AST-1911080 et OAC-2031997).