Nouveaux indices de la présence d'un trou noir de 100 000 masses solaires dans notre Galaxie

Le 13 janvier 2016, nous parlions ici de la découverte de signes montrant la présence probable d'un trou noir de 100 000 masses solaires dans notre Galaxie, un trou noir dit de "masse intermédiaire", des trous noirs qui sont si difficiles à trouver. Aujourd'hui, l'équipe japonaise à l'origine de cette observation publie de nouvelles données en ondes millimétriques qui confirment leur première hypothèse.

Ce qu'avait détecté l'équipe de Tomoharu Oka, c'est un nuage de gaz moléculaire, nommé CO-0.40-0.22 (d'après ces coordonnées galactiques) qui montrait une cinématique très bizarre, avec des vitesses très dispersées. L'analyse cinématique du nuage amenait les chercheurs à conclure qu'il ne pouvait s'agir que de mouvements induits par l'effet gravitationnel d'un objet très compact dont la masse devait atteindre 105M⊙.

Cela devait donc être un trou noir de la classe des masses intermédiaires (entre trous noirs stellaires d'au plus 100 masses solaires et trous noirs supermassifs d'au moins 100 000 masses solaires).

Le nuage CO-0.40-0.22 est un nuage de la catégorie des nuages denses à haute vitesse (HVCC, High Velocity Compact Clouds). Il fait seulement 5 pc de diamètre (16 années-lumière) et se situe à environ 60 pc du centre galactique (196 années-lumière). 

Les astrophysiciens japonais ont poursuivi leurs investigations sur cet étrange nuage de gaz, en utilisant cette fois-ci le puissant réseau de radiotélescopes ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) pour imager les émissions caractéristiques de deux molécules, le HCN et le CO. Ils parviennent à détecter une source quasi-ponctuelle située au centre du nuage CO-0.40-0.22, qu'ils appellent donc logiquement CO-0.40-0.22*. Cette source radio a un spectre à large bande qui montre une luminosité 500 fois plus faible que celle du trou noir supermassif Sgr A*. En plus de cette source ponctuelle, les astrophysiciens japonais, qui publient leur travail dans la désormais fameuse revue Nature Astronomy, observent également une zone de gaz plus dense au centre de CO-0.40-0.22. Ils ont alors effectué des simulations numériques en considérant la présence d'un objet compact comme le trou noir inféré et retrouvent exactement les mouvements de ce gaz dense qui sont observés.

Comme il n'y a pas d'autres grosses émissions en provenance du centre de CO-0.40-0.22,  cela voudrait dire qu'il s'agit d'un trou noir calme, qui n'est pas en train d'accréter de la matière. Oka et ses collègues ont quand même demandé du temps d'observation avec le télescope spatial XMM-Newton pour scruter le nuage en rayons X. Le flux mesuré est très faible, et lui aussi dans le même facteur 500 par rapport aux émissions X de Sgr A*. Avant de conclure sur la nature "trou noir" de l'objet compact semblant situé au centre de CO-0.40-0.22, les astronomes japonais ont cherché d'autres explications, comme celle d'un amas globulaire très dense par exemple. Mais la densité nécessaire est telle (ρ ≈ 109.4M⊙ pc−3) qu'elle est 100 fois plus élevée que la densité du centre de l'amas M15, connu pour être l'amas globulaire ayant le noyau le plus dense. Par ailleurs, un amas globulaire laisserait une trace en infra-rouge qui 'est pas observée ici.

Il existe une relation empirique entre la masse d'un trou noir et la masse de son amas (ou bulbe de galaxie) hôte : la masse du trou noir est très souvent environ 1000 fois plus faible que la masse de son hôte. Un trou noir de 105 M⊙ aurait donc prit naissance dans un système stellaire de 100 millions de masses solaires, ce qui se rapproche plutôt de la masse d'une galaxie naine que de celle d'un amas d'étoiles.
Comme on sait depuis une dizaine d'années que notre galaxie a connu une fusion mineure avec une galaxie naine il y a environ 200 millions d'années grâce à l'étude de populations d'étoiles dans la région centrale de la Galaxie, et que par ailleurs on connait aujourd'hui plus de 50 galaxies naines gravitant autour de la Voie Lactée dans un rayon de 420 kpc, et que l'on connait des exemples de galaxies ayant grossi par fusion successives avec des galaxies naines satellites, il n'en fallait pas plus pour que Tomoharu Oka et son équipe concluent que le nuage CO-0.40-0.22 ne serait autre que l'ultime résidu d'une petite galaxie qui aurait été cannibalisée (selon les termes des auteurs de cette étude) et dont le trou noir central serait maintenant gentiment en train de se rapprocher du centre de la Galaxie pour un jour fusionner avec Sgr A*.

Source

Millimetre-wave emission from an intermediate-mass black hole candidate in the Milky Way
Tomoharu Oka, Shiho Tsujimoto, Yuhei Iwata, Mariko Nomura & Shunya Takekawa
Nature Astronomy (4 septembre 2017)
https://dx.doi.org/10.1038/s41550-017-0224-z

Illustrations

1) Cartographies de CO-0.40-0.22  effectuées par ALMA (Oka et al. , Nature Astronomy)
2) Le réseau de radiotélescopes ALMA sous le ciel austral et les nuages de Magellan (ESO/C.Malin)