Un trou noir géant aurait basculé après une collision galactique

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A environ 780 millions d’années-lumière dans la constellation du Serpent, la radiogalaxie 4C +00.58 exhibe des structures qui s'expliqueraient par le basculement de l’axe de rotation de son trou noir supermassif central, après une collision galactique...

Depuis des dizaines d’années, on connaît des galaxies émettrices d’ondes radio qui possèdent l’équivalent, non pas de deux, mais de quatre lobes radio. Plus précisément, on observe une zone en forme de X rayonnant dans le domaine radio qui s’étale à grande distance de la galaxie. Très naturellement, ces objets ont été baptisés galaxies radio en forme de X ou, en anglais, X-shaped radio galaxies.

Dans une galaxie radio à deux lobes, ces structures sont produites par les jets de matière très énergétiques émis par un trou noir de Kerr supermassif en rotation au cœur de la galaxie, accrétant du gaz. On est donc en présence d’un noyau actif de galaxie à l’instar des quasars.

Un trou noir de Kerr supermassif de masse M₁ accumule (accrète) de la matière tout en possédant un moment cinétique propre (spin) L₁ et un moment orbital L_orb. Des jets de matière sont émis lorsqu'il absorbe du gaz, par exemple celui d'une galaxie plus petite. Le petit trou noir supermassif M₂, de moment cinétique L₂, de la petite galaxie s'approche et forme un trou noir binaire qui va fusionner avec le premier. De l'énergie est en effet émise sous forme d'ondes gravitationnelles comme dans le cas d'un pulsar binaire, diminuant sans cesse la distance entre eux. La fusion finale forme un trou noir mais la somme des moments cinétiques restants (les ondes gravitationnelles emportent aussi du moment cinétique), associée à celui du trou noir final, change l'axe de rotation et donc la direction d'émission des jets de matière. Crédit : Christian Zier

Quant aux structures à lobes quadruples, plusieurs modèles les expliquent. L’un d’entre eux fait intervenir une collision entre deux galaxies, l’une petite et l’autre grande, avec fusion des deux et surtout de leurs trous noirs centraux. Ce faisant, la somme des moments cinétiques des trous noirs n’étant plus possédée que par le seul trou noir final, son axe de rotation n’est plus le même que celui du plus grand trou noir initial.

Ce modèle fait débat mais on sait que les collisions et les fusions de galaxies ne sont pas rares dans l’Univers observable. La fusion des trous noirs supermassifs doit donc être un phénomène fréquent. Il permet sans doute d'expliquer comment on peut passer des quelques millions de masses solaires pour les plus légers aux plusieurs milliards de masses solaires pour les plus lourds. On a d'ailleurs des témoignages de ce processus avec l'observation de trois trous noirs au cœur d'une galaxie, dont certains sont des trous noirs intermédiaires.

Les observation en radio du VLA (Very Large Array) montrent que 4C +00.58 possède une vaste structure en forme de X. Crédits : rayon x : NASA CXC UMD Hodges-Kluck et al.) ; radio : NSF NRAO VLA UMD Hodges-Kluck et al. ; visible : SDSS

Il semblerait qu’au moins dans le cas de la radio galaxie 4C +00.58, ce modèle de basculement du moment cinétique du trou noir, en anglais black hole spin-flip, soit bien le plus approprié.

C'est ce qu'affirme un groupe de chercheurs qui s’est basé sur les observations dans le domaine des rayons X fournies par Chandra. Un article à ce sujet a même été publié sur Arxiv.

Des observations dans le domaine des rayons X par Chandra de 4C +00.58 montrent une vaste zone emplie de gaz chauds mais avec 4 cavités. Ce sont les quatre taches sombres sur cette image. Crédits : rayon x : NASA CXC UMD Hodges-Kluck et al. ) ; radio : NSF NRAO VLA UMD Hodges-Kluck et al. ; SDSS

La présence de cavités, laissées par l’impact des jets de matière dans le gaz environnant la galaxie, témoignerait d’un tel basculement de l’axe de rotation du trou noir central. Initialement, il se trouvait le long de la diagonale descendant du coin en haut à droite de l’image pour devenir ensuite parallèle à celle descendant du coin en haut à gauche de l’image.

Les calculs sont plus favorables dans ce cas précis à la formation d’un trou noir binaire avec fusion finale et réorientation de l’axe du moment cinétique qu’à d’autres modèles expliquant la structure en X de certaines radio galaxies.

En combinant les images de 4C +00.58 en radio (bleu) et en rayons X (orange), on voit clairement que les cavités se trouvent sur un axe. Les cavités 1 et 2 seraient les vestiges de jets de matière antérieurs au basculement du trou noir central. Crédits : rayon x : NASA CXC UMD Hodges-Kluck et al. ; radio : NSF NRAO VLA UMD Hodges-Kluck et al. ; visible (SDSS)

Tout cela demande encore confirmation mais les chercheurs notent qu’une structure en forme de coquille autour de la galaxie semble présente. Si tel est le cas, elle s’interpréterait bien comme une trace récente de la collision entre 4C +00.58 et une petite galaxie, suivie de sa capture.

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