jeudi 15 novembre 2018

La galaxie qui cannibalise ses trois voisines pour devenir hyperlumineuse


La galaxie WISE J224607.55-052634.9 qui a été découverte en 2015 par le télescope spatial Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) est une galaxie hors du commun : c'est la galaxie la plus lumineuse que l'on connaisse, avec une luminosité égale à 360 000 milliards de fois celle du Soleil.  Cette galaxie (qu'on appellera W2246-0526 pour faire court) vient de révéler l'origine de sa luminosité extrême : elle est en train de dévorer pas moins de trois galaxies voisines simultanément.




Ce sont des observations effectuées avec le réseau ALMA, dans le domaine infra-rouge, qui ont permis à une équipe d'astrophysiciens de montrer ce qui est en train de se passer autour de W2246-0526. Les chercheurs observent la présence de traînées de gaz et de poussières qui sont en train d'être avalées par la galaxie, en provenance de trois petites galaxies. Les traînées de poussière ont une position et une morphologie sans équivoque indiquant un flot massif de matière en direction du cœur de W2246-0526.
Ces traînées de matière sont si imposantes qu'elles sont aussi massives que les trois galaxies elles-mêmes. Ce que montrent Tanio Diaz-Santos (Universidad Diego Portales à Santiago, Chili) et ses collaborateurs (dont un astronome français de l'Observatoire de Lyon) dans leur étude qui est publiée cette semaine dans Science, c'est que la luminosité record de W2246-0526 ne vient pas seulement de ses étoiles, mais surtout de gaz chaud et de poussière qui sont concentrés autour du centre de la galaxie. Or, le centre abrite un trou noir supermassif dont la masse a pu être estimée à 4 milliards de masses solaires (1000 fois plus massif que notre trou noir supermassif Sgr A*).

Tanio Diaz-Santos et ses collègues montrent que l'énorme quantité d'énergie qui est rayonnée par l'accrétion de matière autour du trou noir central nécessite un apport de matière "fraîche" très important, qui peut justement être expliqué par la matière récupérée des trois pauvres galaxies qui se trouvaient au mauvais endroit au mauvais moment... La quantité de matière accaparée par W2246-0526 est suffisante pour remplacer en continu la matière consommée par son trou noir, ce qui permet de maintenir une énorme luminosité sur une longue durée. Les chercheurs estiment que ce processus pourrait durer encore quelques centaines de millions d'années avant que la matière viennent à manquer et que le cœur de la galaxie s'éteigne lentement.

Ce type de cannibalisme galactique n'est pas une nouveauté, mais W2246-0526  se trouve être la galaxie la plus lointaine qui est en train d'accréter de la matière de plusieurs voisines simultanément. Elle se trouve dans l'Univers âgé de 1,4 milliards d'années (autrement dit, sa lumière a voyagé durant 12,4 milliards d'années avant d'arriver dans les antennes d'ALMA). Diaz-Santos et son équipe ont utilisé 40 des 66 antennes du grand réseau chilien avec une durée d'observation totale de 2,5 heures. Ils ont découvert le phénomène un peu par hasard, sans le rechercher spécifiquement.
W2246-0526 est donc un quasar qui fait partie d'une catégorie au nom particulièrement amusant : les Hot DOGs (Dust Obscured Galaxies), des galaxies chaudes obscurcies par la poussière. Mais les astronomes ne savent pas encore si W2246-0526  est représentative de sa classe ou bien si elle est particulière, du fait de sa luminosité vraiment énorme et de sa relative précocité dans l'histoire cosmique.
Il était évident que W2246-0526  devait abriter un trou noir ultra-massif pour produire autant de rayonnement par son disque d'accrétion. Mais la masse qui a été obtenue dans l'analyse accompagnant cette étude et publiée, elle, hier dans The Astrophysical Journal, Chao-Wei Tsai (UCLA) et ses collaborateurs trouvent une valeur de 4 milliards de masses solaires mais celle-ci semble encore trois fois trop faible pour expliquer l'émission de W2246-0526... Ils montrent en outre que la galaxie a un ratio d'Eddington très élevé de 2,8 (le rapport de sa luminosité sur la luminosité d'Eddington, qui est la luminosité limite conservant une stabilité entre pression hydrostatique et pression de radiation). Cela pourrait indiquer que la luminosité du disque d'accrétion sature littéralement du fait d'un piègeage des photons émis par le disque dans le flot de matière en train d'être accrétée. Dans ce cas, le taux de grossissement du trou noir ne pourrait plus être évalué à partir de la luminosité qui est observée. Les deux paramètres ne seraient plus corrélés et le taux de grossissement du trou noir de W2246-0526 pourrait être très supérieur à ce qui est mesuré via la luminosité de son disque d'accrétion...


Sources

The multiple merger assembly of a hyperluminous obscured quasar at redshift 4.6
T. Díaz-Santos et al.
Science, online (15 Nov 2018) 


Super-Eddington Accretion in the WISE-selected Extremely Luminous Infrared Galaxy W2246−0526
Chao-Wei Tsai et al.
The Astrophysical Journal, Volume 868, Number 1 (14 november 2018)


Illustrations

1) W2246-0526 et ses trois compagnes d'infortune imagées par ALMA. W2246-0526 et une de ses voisines sont au centre, les deux autres se trouvent en haut et en bas à gauche (ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF))

2) Quelques antennes du réseau ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)