mercredi 13 janvier 2016

Un deuxième trou noir géant dans notre Galaxie ?

Des astronomes japonais viennent de mettre en évidence la présence d’un gros trou noir dit de masse intermédiaire (100 000 masses solaires) au sein de notre galaxie, situé non loin de son centre.  Une observation inédite.



Cartographie de la vitesse en fonction de la position,
l'échelle de couleurs indique la température du gaz.
(T. Oka et al.)
Alors qu’on estime que toutes les galaxies arborent un trou noir supermassif dans leur centre, l’origine de ces trous noirs géants reste aujourd’hui un sujet d’étude brûlant, comme je l’ai souvent relaté ici.  Plusieurs théories s’affrontent à ce sujet. L’une d’entre elles stipule que ces trous noirs supermassifs de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires grossissent de la sorte par fusions successives de trous noirs plus petits, qui eux seraient issus initialement de trous noirs stellaires déjà assez gros, d’une centaine de masses solaire.
On connait de nombreux trous noirs stellaires (de l’ordre de la dizaine de masses solaire) et déjà un certain nombre de trous noirs supermassifs de plus de 1 million de masses solaires, dont celui de notre galaxie, nommé Sgr A*, qui a la masse de 4 millions de soleils. Mais les trous noirs de masse intermédiaire (de 100 à 100.000 masses solaires) se font rares, alors qu’ils devraient exister en nombre appréciable d’après ce modèle d’évolution. L’un des bons candidats à ce titre est l’une des sources X ultra-lumineuses les plus intenses : ESO 243-49 HLX-1, mais ce ne sont toujours que des candidats qui n’ont pas encore été définitivement acceptés.

Aujourd’hui, une équipe japonaise pense avoir mis la main sur un tel trou noir de plusieurs dizaines de milliers de masses solaires, et qui plus est, au sein même de notre galaxie, à une distance relativement faible de Sgr A*. Il s’agit bien évidemment d’une détection très indirecte car l’objet compact ne se voit pas, il n’émet même pas de rayonnement via une accrétion de matière, mais en revanche, c’est son effet gravitationnel qui produirait une trace visible. Les chercheurs japonais ont observé un nuage de gaz moléculaire compact situé très près du centre galactique, nommé CO–0.40–0.22. Ils ont cartographié les raies d’émission radio de ce nuage de gaz moléculaire et montrent qu’il possède une distribution de vitesse très particulière.

Ce nuage dense a une masse d’environ 4000 masses solaires, étalée sur 3 parsecs (environ 10 années-lumière) et il montre une dispersion de vitesse très grande entre ses deux extrémités : 100 km/s d’écart. C’est cette structure cinématique qui a intrigué les astrophysiciens japonais. 
Toutes ces données cinématiques ont pu être déduites à partir de l’étude des déplacements ou élargissements spectraux des raies d’émission spécifiques d’une vingtaine de molécules différentes, allant du HC3N au SiO en passant par le N2H ou encore le CH3OH, dans des longueurs d’ondes radio (fréquences comprises entre 81,8 et 103 GHz). Les chercheurs ont exploité deux grands instruments radio-astronomiques que sont les radiotélescopes NRO (Nobeyama Radio Observatory) au Japon, et ASTE (Atacama Submillimeter Telescope Experiment) au Chili.

Après avoir évalué de multiples origines possibles au comportement cinématique étrange de CO–0.40–0.22, mais qui se sont toutes révélées inadéquates, les astrophysiciens japonais ont pensé à l’effet gravitationnel d’un objet compact proche du nuage. A partir de cette nouvelle hypothèse, ils ont produit des simulations numériques pour trouver quels seraient les paramètres d’un tel objet compact qui pourraient reproduire l’effet cinématique observé sur le nuage de gaz : sa masse (cherchée entre 1000 et 1.000.000 masses solaires, sa position vis-à-vis du nuage (cherchée entre 0,5 et 3 pc) et la durée d’interaction gravitationnelle (cherchée entre 0 et 1 million d’années).
Evolution temporelle du nuage de gaz dans le plan orbital
pour deux cas simulés avec une distance de l'objet compact
de 1 et 1,8 parsecs (T. Oka et al.) 
Les ordinateurs ont rendu leur copie après de nombreuses heures de simulations : les distributions de vitesse de CO–0.40–0.22 sont le mieux reproduites avec un objet compact de 105 masses solaires situé à une distance de 1 pc, avec une durée d’interaction de 700 000 ans. 
Les astrophysiciens japonais ont ensuite évalué tous les types d’objets compacts pouvant contenir 105 masses solaires dans un rayon aussi petit que 0,1 pc (0,33 année-lumière), notamment la piste d’un amas globulaire très dense du type du célèbre M15 qui montre une densité de 20 millions de masses solaires par parsec cube. Mais l’absence complète de contreparties visibles permet d’exclure cette possibilité, sauf à être en présence d’un amas globulaire rempli uniquement  d’astres obscurs, étoiles à neutrons et (petits) trous noirs, ce qui est très improbable. Ne restait donc plus que la solution d’un objet compact unique de 100.000 masses solaires : un trou noir de masse intermédiaire.
Bien évidemment, trouver un tel trou noir très massif à 200 années-lumière du centre galactique et de  Sgr A* est tout sauf banal. Les chercheurs tentent donc d’en trouver une explication. Il se trouve que la relation classique associant la masse d’un trou noir supermassif avec celle des étoiles de sa galaxie hôte indique qu’une masse du trou de 105 masses solaires correspondrait à une galaxie de 100 millions d’étoiles, ce qui est tout à fait l’ordre de grandeur des galaxies naines satellites de notre galaxie. On sait que des galaxies naines peuvent elles aussi avoir un trou noir massif dans leur centre et on connait aujourd’hui une vingtaine de galaxies naines autour de la Voie Lactée. On sait par ailleurs que les grandes galaxies comme la nôtre peuvent grossir en dépouillant leurs galaxies satellites de leur gaz et de leurs étoiles.

Tomoharu Oka et ses collègues avancent donc l’idée que ce trou noir très massif de 100.000 masses solaires serait le résidu du noyau d’une ancienne galaxie naine dévorée par la Voie Lactée. Ce trou noir géant serait donc aujourd’hui en train de spiraler lentement en direction de Sgr A*, 40 fois plus gros que lui, et qui n’en fera qu’une bouchée.


Source : 
Signature of an intermediate-mass black hole in the central molecular zone of our galaxy
T. Oka et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 816, Number 1