Les astronomes ont repéré trois trous noirs supermassifs (SMBH) au centre de trois galaxies en collision à un milliard d'années-lumière de la Terre. Cela prouve que les trois sont également des noyaux galactiques actifs (AGN,) engloutissant le matériau et s'évasant de façon éclatante.
Cette découverte pourrait éclairer le «problème final de parsec», un problème de longue date en astrophysique et en fusion de trous noirs.
Les astronomes ont trouvé les trois SMBH dans les données de plusieurs télescopes, y compris le Sloan Digital Sky Survey (SDSS), le Chandra X-ray Observatory et le Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE.) Les trois trous noirs sont enveloppés dans un presque événement épique inimaginable; une fusion de trois galaxies. Ces fusions de triplets peuvent jouer un rôle essentiel dans la croissance des trous noirs les plus massifs au fil du temps.
«C'est la preuve la plus solide jamais trouvée pour un tel triple système d'alimentation active des trous noirs supermassifs.»
Ryan Pfeifle, Université George Mason, auteur principal.
Les astronomes qui l'ont trouvé ne s'attendaient pas à trouver trois trous noirs au centre d'une fusion triple galaxie.
"Nous ne recherchions que des paires de trous noirs à l'époque, et pourtant, grâce à notre technique de sélection, nous sommes tombés sur ce système incroyable", a déclaré Ryan Pfeifle de l'Université George Mason à Fairfax, en Virginie, le premier auteur d'un nouvel article en The Astrophysical Journal décrivant ces résultats. «C'est la preuve la plus solide jamais trouvée pour un tel triple système d'alimentation active des trous noirs supermassifs.»
Les systèmes à triple trou noir sont difficiles à repérer car il se passe tellement de choses dans leur quartier. Ils sont enveloppés de gaz et de poussière, ce qui rend difficile la visibilité. Dans cette étude, il a fallu plusieurs télescopes opérant dans différentes parties du spectre électromagnétique pour découvrir les trois trous. Il a également fallu le travail de certains citoyens scientifiques.
Ils sont non seulement difficiles à repérer, mais rares. "Les trous noirs doubles et triples sont extrêmement rares", a déclaré le co-auteur Shobita Satyapal, également de George Mason, "mais de tels systèmes sont en fait une conséquence naturelle des fusions de galaxies, ce qui, selon nous, est la façon dont les galaxies se développent et évoluent."
Le SDSS a été le premier à repérer cette triple fusion en lumière visible, mais ce n'est que grâce au Galaxy Zoo, un projet de science citoyenne, qu'il a été identifié comme un système de collision de galaxies. Ensuite, WISE a vu que le système brillait dans l'infrarouge, ce qui indique qu'il était dans une phase de fusion de la galaxie lorsque plus d'un des trous noirs devait se nourrir.
Les données Sloan et WISE n'étaient que des indices alléchants, et les astronomes se sont tournés vers l'observatoire Chandra et le grand télescope binoculaire (LBT) pour plus de confirmation. Les observations de Chandra ont montré qu'il y avait des sources lumineuses de rayons X au centre de chaque galaxie. C’est exactement là où les scientifiques s’attendent à trouver des SMBH.
D'autres preuves montrant que des SMBH étaient là sont arrivées de Chandra et du satellite NuSTAR (Nucléaire Spectroscopique Nucléaire) de la NASA. Ils ont trouvé des preuves de grandes quantités de gaz et de poussière près d'un des trous noirs. C'est prévu lorsque les trous noirs fusionnent. D’autres données de lumière optique provenant du SDSS et du LBT ont fourni des preuves spectrales caractéristiques des trois SMBH se nourrissant.
«Les spectres optiques contiennent une mine d'informations sur une galaxie», a déclaré la co-auteure Christina Manzano-King de l'Université de Californie à Riverside. "Ils sont couramment utilisés pour identifier les trous noirs supermassifs à accrétion active et peuvent refléter l'impact qu'ils ont sur les galaxies qu'ils habitent."
Avec ce travail, l'équipe d'astronomes a développé un moyen de trouver plus de ces systèmes de trous noirs triples. «Grâce à l'utilisation de ces grands observatoires, nous avons identifié une nouvelle façon d'identifier les trous noirs triples supermassifs. Chaque télescope nous donne un indice différent sur ce qui se passe dans ces systèmes », a déclaré Pfeifle. «Nous espérons étendre notre travail pour trouver plus de triplets en utilisant la même technique.»
Ils ont peut-être également fait la lumière sur le dernier problème de parsec.
Le dernier problème Parsec
Le dernier problème de parsec est au cœur de notre compréhension des fusions binaires de trous noirs. C'est un problème théorique qui dit que lorsque deux trous noirs se rapprochent, leur énergie orbitale excessive les empêche de fusionner. Ils peuvent arriver en quelques années-lumière, puis le processus de fusion s'arrête.
Lorsque deux trous noirs se rapprochent initialement, leurs trajectoires hyperboliques les portent l'un à côté de l'autre. Au fil du temps, au fur et à mesure que les deux trous interagissent avec les étoiles à proximité, ils lancent des lancers gravitationnels sur les étoiles, transférant une partie de leur énergie orbitale à une étoile chaque fois qu'ils le font. L’émission d’ondes gravitationnelles diminue également l’énergie des trous noirs.
Finalement, les deux trous noirs perdent suffisamment d'énergie orbitale pour ralentir et s'approcher de plus près, et se rapprochent à quelques parsecs l'un de l'autre. Le problème est qu'à mesure qu'ils se rapprochent, de plus en plus de matière est éjectée de leur voisinage par élingue. Cela signifie qu'il n'y a plus de matière pour que les trous noirs interagissent et perdent plus d'énergie orbitale. À ce stade, le processus de fusion s'arrête. Ou ça devrait.
Pourtant, les astrophysiciens savent que les trous noirs fusionnent car ils ont été témoins des puissantes ondes gravitationnelles. En effet, le LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory) découvre une fusion de trous noirs environ une fois par semaine. La façon dont ils fusionnent à la fin est appelée le dernier problème de parsec.
L'équipe derrière cette étude pense qu'elle pourrait avoir une réponse. Ils pensent qu'un troisième trou noir, comme ils l'ont observé dans ce système, pourrait fournir le coup de pouce nécessaire pour fusionner deux trous. Alors qu'une paire de trous noirs dans un système trinaire se rapprochent, le troisième trou pourrait les influencer pour fermer le parsec final et fusionner.
Selon des simulations informatiques, environ 16% des paires de trous noirs supermassifs dans les galaxies en collision auront interagi avec un troisième trou noir supermassif avant de fusionner. Ces fusions produiraient des ondes gravitationnelles, mais le problème est que ces ondes seraient trop basses fréquences pour que LIGO ou l'observatoire VIRGO puissent les détecter.
Pour les détecter, les scientifiques devront peut-être compter sur de futurs observatoires comme LISA, l’antenne spatiale de l’interféromètre laser de l’ESA / NASA. LISA observera des ondes gravitationnelles de fréquence plus faible que LIGO ou VIRGO et est mieux équipée pour trouver des trous noirs super massifs fusionnant.
Le document présentant ces résultats est intitulé «Un triple AGN dans une fusion de galaxies tardives sélectionnées dans le milieu infrarouge».
Plus:
- Communiqué de presse: Trouvé: Trois trous noirs sur le parcours de collision
- Document de recherche: un triple AGN dans une fusion de galaxies tardives sélectionnées dans l'infrarouge moyen
- Wikipédia: dernier problème Parsec
- LISA: Antenne spatiale à interféromètre laser
