L'existence de trous noirs supermassifs fugitifs, résultant de fusions de galaxies, est prédite depuis longtemps. Pour la première fois, en mars 2023, le télescope spatial Hubble avait donné un indice laissant penser qu’on en avait repéré un, avec l’existence d’une sorte de longue trainée de gaz choqué (voir nos épisodes 1469 et 1493). Aujourd'hui, l’équipe à l’origine de cette observation initiale a refait d’autres observations mais cette fois avec le télescope Webb. Les données confirment que cet objet se déplace à une vitesse supersonique dans le milieu intergalactique, perturbant le gaz diffus et créant un arc de choc. Les chercheurs estiment que cet objet est très probablement un trou noir supermassif, éjecté de sa galaxie et traversant le milieu intergalactique à grande vitesse. L’étude est parue dans The Astrophysical Journal Letters.
Le candidat trou noir supermassif fugitif avait été découvert par hasard sur une image de Hubble. Sa galaxie hôte implicite se trouve à un redshift de 0,964. L’image révélait une étrange structure linéaire semblant provenir directement de la galaxie voisine ou se diriger vers celle-ci. Une spectroscopie de suivi de cet objet a révélé que la structure pouvait correspondre à un trou noir supermassif fugitif se déplaçant à une vitesse supersonique et provoquant un choc dans le milieu circomgalactique. Mais les spectres ne permettaient pas d'exclure d'autres explications, telles que la possibilité qu'il s'agisse d'une galaxie spirale sans renflement central vue exactement de profil.
C’est pour en savoir plus sur cet objet mystérieux long de 62 kpc et exclure d'autres explications, que Pieter Van Dokkum (Yale university) et ses collaborateurs ont utilisé le spectroimageur NIRSpec de Webb, où chaque pixel de l’image contient un spectre (également appelé « spaxel »), ce qui permet aux astrophysiciens de comparer le spectre d'un objet à différents emplacements physiques.
En raison de l'effet Doppler, la lumière sera décalée vers des longueurs d'onde plus courtes (décalage vers le bleu) si la source se déplace vers nous, et vers des longueurs d'onde plus longues (décalage vers le rouge) si la source s'éloigne de nous. Plus la source se déplace rapidement, plus le décalage de longueur d'onde est important. À l'extrémité de la structure, les chercheurs constatent que la vitesse du gaz varie de plus de 600 km/s sur seulement 1 kiloparsec. Un gradient de vitesse aussi prononcé à l'extrémité de cette structure linéaire est le signe caractéristique d'un arc de choc supersonique. Aucun autre effet ne pourrait provoquer un changement aussi radical de la vitesse du gaz à une échelle aussi petite (à l'échelle astronomique). L'interprétation en termes d'onde de choc est confortée par la morphologie du gaz à l'extrémité du sillage et par l'analyse des rapports d'intensité des raies [O III ]/Hα , [N II ]/Hα , [S II ]/Hα et [S III ]/[S II ]. Ces rapports sont compatibles avec des chocs radiatifs rapides et un refroidissement rapide, les vitesses de choc optimales étant en accord avec les prédictions basées sur la vitesse d'un trou noir et la géométrie du choc.
En modélisant soigneusement la cinématique attendue d'un arc de choc, les auteurs prédisent comment la vitesse devrait varier dans différents spaxels. Le choc ne se déplace pas parfaitement parallèlement au plan du ciel ; il est plutôt incliné vers nous d'environ 30 degrés. Par conséquent, un côté de l’arc de choc se déplace vers nous (le « limbe proche ») et l'autre s'éloigne de nous (le « limbe lointain »). L'angle du choc signifie que l’on devrait observer beaucoup d'émissions décalées vers le bleu provenant du limbe proche et un peu d'émissions décalées vers le rouge provenant du limbe lointain.
Les auteurs simulent le choc et tentent de faire correspondre la cinématique observée à leur modèle. Ils calculent la luminosité de deux raies d'émission dans chaque spaxel, afin de déterminer où elles se trouvent le long du choc et du sillage. Puis ils calculent la vitesse prévue à différentes distances le long du choc et de l'onde. L'augmentation brutale des vitesses négatives (décalées vers le bleu) vers des vitesses positives (décalées vers le rouge) indique si on se trouve sur le limbe proche ou sur le limbe éloigné. La pointe du choc montre à quel point leur modèle correspond bien aux données.
Lorsque le trou noir traverse le milieu circumgalactique, il laisse derrière lui un mince sillage de gaz chaud. Au fil du temps, davantage de gaz provenant du milieu se mélange au sillage, ce qui en fait une structure durable. Progressivement, le gaz se refroidit et devient suffisamment dense pour former des étoiles dans le sillage.
En mesurant la quantité de lumière émise par le sillage, Van Dokkum et ses collaborateurs estiment que celui-ci contient l'équivalent de 200 millions de masses solaires en étoiles ! Or, ce chiffre est proche de la quantité de gaz totale qui pourrait se mélanger au sillage au cours de sa durée de vie. Cela suggère peut-être, selon les auteurs, que les conditions dans ce sillage sont telles qu’il se formerait davantage d'étoiles de masse élevée que ce qui est normalement attendu. Les étoiles de masse plus élevée émettent beaucoup plus de lumière par unité de masse, ce qui signifie qu'une masse totale d'étoiles plus faible pourrait produire la même quantité de lumière si la population stellaire comporte de nombreuses étoiles de masse élevée.
Les auteurs font une estimation simple de la masse du trou noir supermassif en utilisant la conservation de l'énergie. Lorsque le trou noir traverse le milieu, il chauffe le gaz, transférant ainsi une partie de son énergie cinétique. En mesurant l'énergie transférée au milieu dans l’arc de choc et le sillage, les auteurs fixent une limite inférieure pour la masse du trou noir à 10 millions de masses solaires minimum. Il se trouve que cette masse est similaire à celle que l'on pourrait attendre compte tenu de la masse des étoiles situées dans le renflement de la galaxie hôte.
Quant à sa vitesse de fuite, elle est mesurée avec une bonne précision et vaut la bagatelle de 954 (±120) km.s-1, avec un angle d'inclinaison de 29°. Il faut se rappeler qu’il existe deux façons principales pour un trou noir supermassif d'être éjecté de sa galaxie hôte : le recul induit par ondes gravitationnelles lors d’une fusion binaire, ou les interactions à trois corps. Lorsque deux trous noirs de masse similaire et de rotation opposée tournent l'un vers l'autre, ils émettent plus d'ondes gravitationnelles dans une direction que dans l'autre. L'asymétrie crée une force de recul dans la direction opposée, ce qui signifie qu'une fois que les trous noirs ont fusionné, le trou noir résultant peut être éjecté de la galaxie à très grande vitesse. Une telle configuration est probablement assez rare, mais presque toutes les fusions de galaxies devraient finalement aboutir à une fusion de trous noirs, il devrait donc encore exister une population de trous noirs éjectés de leur galaxie par le recul gravitationnel, qu’on appelle aussi « kick ». Dans le cas d’un système à 3 corps, le système dans lequel trois trous noirs orbitent les uns autour des autres peut être assez instable et aboutir à l'éjection du trou noir de plus faible masse de la galaxie.
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Certaines questions restent en suspens concernant cet objet singulier. Il est particulièrement difficile de prouver de manière définitive qu'il y a un trou noir intégré dans cette structure. S'il y en a un, il est probablement entouré d'une enveloppe de gaz chaud beaucoup plus grande que le trou noir, ce qui rend son observation directe impossible. Mais pour Van Dokkum et ses collaborateurs, les observations correspondent très bien à ce que l'on attendrait d'un trou noir supermassif en fuite, ce qui en fait la preuve la plus concrète à ce jour de l'existence d'un tel trou noir supermassif fugitif. Il ne fait heureusement aucun doute que d'autres données seront recueillies sur cet objet étonnant, ce qui permettra d'en savoir encore plus.
Source
JWST Confirmation of a Runaway Supermassive Black Hole via its Supersonic Bow Shock
Pieter Van Dokkum et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 998, Number 1
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae3d0e
Illustrations
1. Image du sillage obtenue par Hubble en 2023 et zone aujourd'hui observée avec Webb (Van Dokkum et al.)
2. Modélisation 3D de l'arc de choc supersonique produit dans le milieu intergalactique (Van Dokkum et al.)
3.Pieter Van Dokkum
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