Trois trous noirs supermassifs découverts au centre d’une seule et même galaxie

Une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques des Universités de Göttingen et de Potsdam vient pour la toute première fois de démontrer l’existence de trois trous noirs supermassifs au sein de la galaxie NGC 6240. Ces observations, publiées dans la revue Astronomy & Astrophysics, les situent à proximité les uns des autres et au cœur de la galaxie. Cette étude souligne l’importance des processus de fusions simultanées lors de la formation des galaxies les plus massives de l’univers.

La galaxie irrégulière NGC 6240. De nouvelles observations montrent qu’elle n’abrite pas deux mais trois trous noirs supermassifs en son centre. Le trou noir du nord (N) est actif et était connu auparavant. La nouvelle image agrandie dotée d’une résolution spatiale élevée montre que la composante sud est constituée de deux trous noirs supermassifs (S1 et S2). La couleur verte indique la distribution du gaz ionisé par le rayonnement entourant les trous noirs. Les lignes rouges montrent les contours de la lumière émise par les étoiles de la galaxie et la longueur de la ligne de couleur blanche correspond à 1000 années-lumière. Source : P. Weilbacher (AIP), NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, et A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)

Les galaxies se composent généralement de 100 à 300 milliards d’étoiles et abritent en leurs centres un trou noir doté d’une masse de plusieurs millions, voire d’une centaine de millions de masses solaires. De part sa forme particulière, la galaxie baptisée NGC 6240 est qualifiée de galaxie irrégulière. Jusqu’à présent, les astronomes supposaient que sa formation résultait de la collision de deux galaxies de dimensions moindres et qu’elle abritait, en conséquence, deux trous noirs en son centre. Ces ancêtres galactiques se sont rapprochés l’un de l’autre à des vitesses de plusieurs centaines de km/s et sont aujourd’hui encore en train de fusionner. Situé à une distance d’environ 300 millions d’années-lumière – ce qui est proche au regard des standards cosmiques, le système galactique a été soigneusement étudié dans l’ensemble des longueurs d’onde et longtemps considéré comme un modèle d’interaction galactique.

« Parce qu’elles sont dotées d’une résolution spatiale particulièrement élevée, ces observations nous ont permis de démontrer la présence, au centre du système galactique en interaction NGC 6240, non pas de deux – comme précédemment supposé – mais de trois trous noirs supermassifs”, précise le professeur Wolfram Kollatschny de l’Université de Göttingen, auteur principal de cette étude. Chacun des trois mastodontes est caractérisé par une masse supérieure à celle de 90 millions de Soleils. Tous trois occupent une région de l’espace dont le diamètre n’excède pas les 3000 années-lumière, ce qui représente moins d’un centième de la galaxie. « Une telle concentration de trois trous noirs supermassifs n’avait encore jamais été observé dans l’univers », ajoute Peter Weilbacher de l’Institut Leibniz d’Astrophysique de Potsdam (AIP). « Le cas présent témoigne de la fusion simultanée de trois galaxies et de leurs trous noirs centraux. »

La découverte de ce système triple revêt une importance capitale pour notre compréhension de l’évolution des galaxies. Jusqu’à présent, nous étions incapables d’expliquer le mode de formation des galaxies les plus grandes et les plus massives qui peuplent notre environnement cosmique actuel à partir des processus classiques d’interaction et de fusion s’étant produits au cours des 14 derniers milliards d’années environ, soit durant toute l’histoire de notre univers. « Toutefois, dans l’éventualité où des processus de fusion simultanée de plusieurs galaxies auraient eu lieu, les galaxies les plus grandes et leurs trous noirs supermassifs centraux ont pu évoluer beaucoup plus rapidement », résume Peter Weilbacher. « Nos observations plaident en faveur de ce scénario. »

Afin d’acquérir des images d’une très grande précision de NGC 6240 au moyen du VLT – un télescope de 8m de diamètre implanté au Chili, le spectrographe 3D MUSE a été utilisé avec son mode « haute résolution », un système d’optique adaptative combiné à quatre étoiles laser générées artificiellement. Grâce à cette technologie avancée, les images obtenues bénéficient d’une résolution semblable à celles acquises par le télescope spatial Hubble. En outre, elles renferment un spectre associé à chaque pixel de l’image. Ces spectres ont joué un rôle décisif lors de la détermination du mouvement et des masses des trous noirs supermassifs de NGC 6240.

Aux dires des scientifiques impliqués dans cette étude, la fusion imminente des trous noirs supermassifs de NGC 6240 se traduira, d’ici quelques millions d’années, par la génération d’ondes gravitationnelles d’une intensité particulièrement élevée. A terme, les signaux en provenance d’objets similaires pourront être mesurés au moyen du détecteur d’ondes gravitationnelles LISA et d’autres systèmes en cours de fusion seront certainement découverts.

Ressources complémentaires

  • Publication scientifique : W. Kollatschny, P. M. Weilbacher, M. W. Ochmann1, D. Chelouche, A. Monreal-Ibero; R. Bacon, T. Contini: NGC6240: A triple nucleus system in the advanced or final state of merging, Astronomy & Astrophysics, 2019

Contact IRAP

  • Thierry Contini, thierry.contini@irap.omp.eu

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