Les grands trous noirs errent-ils dans la galaxie?

De nouveaux travaux de simulation suggèrent que des galaxies telles que la Voie lactée pourraient abriter une douzaine de trous noirs supermassifs.

Un gigantesque trou noir se trouve au centre de la voie lactée. Il en va de même pour la plupart des grandes galaxies de l'univers. Lorsqu'ils ne consomment pas d'essence, d'étoiles ou de jets de plasma, ces trous noirs restent relativement silencieux.

Image générée par ordinateur d'un trou noir provoquant des distorsions de la lumière environnante.
Alain Riazuelo

Mais ils ne restent pas toujours au centre. Lorsque les galaxies fusionnent, leurs gaz et leurs étoiles se redistribuent, et leurs trous noirs supermassifs peuvent se retrouver avec un avis d'expulsion, pris par la gravité de l'autre galaxie. Avec le temps, les rencontres gravitationnelles peuvent envoyer le trou noir vers le centre de la galaxie.

Les astronomes ont toutefois de plus en plus compris que, lorsque les galaxies fusionnent, les trous noirs ne migrent pas toujours vers le cœur. En fait, seule une petite fraction des fusions créera des paires de trous noirs centraux. Le problème est particulièrement aigu lorsque l’une des galaxies est beaucoup plus petite (moins d’un dixième en masse) que l’autre: les composants les plus petits d’une galaxie peuvent mettre plus de temps que l’âge de l’univers à s’enfoncer dans la grande galaxie Nucls noyau.

Par conséquent, les grandes galaxies devraient accueillir un grand nombre de noyaux galactiques dépouillés et leurs trous noirs. Selon la taille du trou noir considéré, les astronomes ont estimé que des dizaines d’entre eux pourraient se cacher aux confins des galaxies. Combien pourrait avoir un système comme la Voie Lactée?

Beaucoup de trous noirs

Pour mieux comprendre ce qui se passe dans ce processus, Michael Tremmel (Yale) et ses collègues ont examiné avec soin la manière dont ces trous noirs errants se déplaceraient sur des milliards d'années. L’équipe a utilisé le jeu de simulations haute puissance Romulus, qui suit la croissance de la structure cosmique dans un cube d’espace informatique de 80 millions d’années-lumière de côté. Dans les simulations, les astronomes ont observé le développement des galaxies de type Voie lactée et leur interaction avec leurs métropoles stellaires similaires, peu après la naissance de l'univers jusqu'à nos jours. La longue chronologie est cruciale car les fusions de galaxies étaient bien plus courantes au cours des premiers milliards d'années de l'histoire cosmique.

Deux des galaxies simulées étudiées par l’équipe sont montrées de côté et de face. Les points blancs indiquent les trous noirs supermassifs et les flèches indiquent la direction et la magnitude de leur vitesse par rapport au centre galactique. Comme vous pouvez le constater, les trous noirs ont tendance à se trouver en dehors du disque.
Tremmel M., Gouvernant F., Volonteri M., Pontzen A., Quinn TR, 2018, The Astrophysical Journal Letters 2018, 857, L22.

Lorsque deux simulations se sont rencontrées lors des simulations, le trou noir de la plus petite a été pris dans les confins de la plus grande des galaxies. Après cela, il est considéré comme un habitant de la plus grande galaxie, même si elle n'est pas intégrée à son disque en spirale. Comme le rapporte l'équipe dans Astrophysical Journal du 20 avril, les 26 galaxies suivies par les chercheurs ont abouti à une moyenne de 12 trous noirs supermassifs chacune. Cinq des trous noirs (encore une fois en moyenne) se situent à peu près aussi loin des centres que les disques se prolongent.

L’équipe a découvert que les galaxies avaient ramassé leurs trous noirs tôt, dans certains cas au cours des premiers milliards d’années de leur existence, avant même que leurs spirales emblématiques ne soient complètement formées. On pourrait penser qu'avec tout ce temps, les trous noirs auraient longtemps sombré au centre de leurs galaxies. Mais seulement certains l'ont fait. Quand une fusion a déposé un trou noir près du plan du disque de la galaxie, il y avait beaucoup d'étoiles et de gaz avec lesquels il pouvait interagir par gravité et couler assez rapidement vers le coeur. Ceux qui ont survécu comme des errants, cependant, ont suivi des orbites qui les ont gardés bien au-dessus ou au-dessous des disques des galaxies, où il y a peu d'étoiles ou de gaz. Ainsi, les trous noirs n’ont jamais perdu leur énergie orbitale et n’ont jamais migré vers le noyau - un résultat en accord avec les travaux antérieurs.

Mais ne paniquez pas

Alors, la Voie Lactée a-t-elle des trous noirs géants «supplémentaires»? C'est difficile à dire. Des observations récentes ont laissé entendre qu'un trou noir de taille moyenne - plus petit que ceux explorés ici - pourrait garder la compagnie centrale de notre galaxie, mais d'autres astronomes doutent du résultat. Les données préliminaires de Gaia suggèrent également que la Voie Lactée n'a pas englouti quoi que ce soit plus gros que le Grand Nuage Magellanic au cours des 9 derniers milliards d'années. Donc, s’ils sont là-bas, ils le sont depuis longtemps.

S'il y a d'anciens vagabonds, ils ne passeraient pas beaucoup de temps dans le disque en spirale duveteux et n'auraient donc probablement pas beaucoup de gaz à accumuler. Sans source de nourriture, ils seraient en grande partie invisibles. S'ils étaient encore entourés d'un reste de leur ancienne galaxie, cela aiderait, mais la recherche de tels objets ne fournit aucun exemple concluant. L'équipe travaille sur des moyens de les rechercher.

De peur que je ne termine ce blog sur une note sensationnaliste, j'ajouterai qu'il n'y a aucune raison de craindre qu'un trou noir supermassif en maraude nous menace. L'équipe estime que notre système solaire rencontrerait l'un de ces vagabonds tous les 100 milliards d'années environ. C'est presque 10 fois l'âge de l'univers. Donc, à moins d'une rencontre incroyablement improbable, nous sommes en sécurité.

Référence: M. Tremmel et al. «Trous noirs supermassifs errants dans des halos de type lactée-masse», Astrophysical Journal Letters . 20 avril 2018.