Les astronomes utilisant le tableau de base très long (VLBA) et le très grand tableau (VLA) ont attrapé un trou noir supermassif dans l'acte de s'éveiller d'un long sommeil, offrant un aperçu sans précédent dans les premiers stades de l'activité du trou noir. La découverte offre de nouvelles perspectives sur la façon dont ces géants cosmiques commencent à influencer leur environnement et pourraient aider à résoudre des énigmes de longue date sur Galaxy Evolution.
La recherche, dirigée par Francesco Ubertosi de l'Université de Bologne et de l'Institut national d'astrophysique en Italie (INAF / IRA), s'est concentré sur les puces Galaxy Cluster 1911 + 4455, situées à environ 6 milliards d'années-lumière de la Terre. Ce qui rend ce système extraordinaire, c'est que son trou noir supermassif central n'a que récemment « activé » – astronomiquement parlant – pour consommer activement du matériel et lancer des jets il y a seulement mille ans.
« C'est comme regarder un géant endormi se réveiller », a déclaré Ubertosi, auteur principal de l'étude. « Nous voyons ce trou noir supermassif au tout début de sa phase active, avant d'avoir eu le temps de modifier considérablement son environnement. C'est une occasion incroyablement rare d'étudier l'image` `avant '' de la rétroaction du trou noir. »
En utilisant la résolution extraordinaire du VLBA – capable de distinguer les détails équivalents à la lecture d'un journal à Los Angeles de New York – l'équipe a découvert que les jets du trou noir ne s'étendent qu'environ 30 parsecs (environ 100 années-lumière) du trou noir central. Cela peut sembler grand, mais en termes cosmiques, ce sont des jets infantiles. À titre de comparaison, les jets de trous noirs matures dans des systèmes similaires peuvent s'étendre pour des dizaines de milliers de parsecs.
Les observations VLBA ont révélé une source radio compacte avec des jets symétriques à deux faces émergeant du noyau de la galaxie. Le spectre radio montre la forme caractéristique «culpvée» qui identifie cela comme une très jeune radio-galaxie, estimée à seulement 1000 ans – un clignotement cosmique d'un œil.
« Les Jets sont si jeunes et petits qu'ils n'ont pas eu le temps de repousser le gaz chaud environnant ou de perturber le processus de refroidissement qui se produit dans le noyau du cluster », a expliqué le co-auteur Myriam Gitti, également de l'Université de Bologne et IRA / IRA. « Cela nous donne un laboratoire unique pour étudier comment commence la rétroaction du trou noir. »
La plupart des études sur les trous noirs supermassives dans les grappes de galaxies se concentrent sur les systèmes matures où le trou noir est actif depuis des millions d'années, gonflant d'énormes bulles radio-émettant et chauffant le gaz environnant. Les puces 1911 + 4455 représentent ce que les chercheurs appellent un cluster « pré-alimentation » – un système où ils peuvent étudier les conditions qui existent avant que le trou noir ait un impact significatif sur son environnement.
Une étude précédente a révélé que le gaz chaud dans le noyau de l'amas a une entropie très faible et des temps de refroidissement courts. « Nous pensons que ce que nous voyons, c'est le pistolet fumant de la façon dont les trous noirs supermassifs sont déclenchés en premier lieu », a déclaré le co-auteur Pasquale Temi du NASA Ames Research Center. « Le gaz dans ce noyau de cluster se refroidit très efficacement, offrant potentiellement le carburant qui a éveillé ce trou noir endormi. »
Alors que le trou noir central ne fait que commencer son activité, la galaxie qui l'entoure est déjà une usine d'étoile exceptionnelle. L'analyse de l'équipe s'aligne sur les enquêtes antérieures, suggérant que la galaxie forme des étoiles à un rythme de 140 à 190 masses solaires par an – plus de 100 fois plus rapide que notre propre Voie lactée. Cela en fait l'une des galaxies de grappes centrales les plus rapidement formant des étoiles connues.
Fait intéressant, les observations radio avec la VLA ont révélé des « moustaches » étendues d'émission radio qui s'alignent précisément sur les régions de formation d'étoiles visibles dans les images du télescope spatial Hubble. Les moustaches observées dans les images VLA sont probablement alimentées par le rayonnement synchrotron à partir de supernovae et d'étoiles massives, fournissant une confirmation indépendante du taux de formation des étoiles prodigieux de la galaxie.
La découverte a des implications importantes pour comprendre comment les trous noirs supermassifs et leurs galaxies hôtes co-évoluent. Les théories actuelles suggèrent que la rétroaction du trou noir est cruciale pour réguler la formation d'étoiles dans des galaxies massives, mais la plupart des observations ont été des systèmes où ce processus est déjà mature.
« Les puces 1911 + 4455 peuvent représenter une saveur différente de la façon dont la rétroaction du trou noir commence », a expliqué Ubertosi. « Dans ce cas, ce n'est pas seulement le trou noir en sommeil pendant longtemps qui déclenche le refroidissement – le cluster montre également des signes d'une fusion récente, qui peut avoir amélioré le refroidissement et a aidé à réveiller le trou noir. »
L'étude a nécessité de combiner des observations de plusieurs installations NRAO pour atteindre à la fois la sensibilité et la résolution nécessaires pour détecter et caractériser cette jeune source radio. Le VLBA a fourni la résolution ultra-élevée nécessaire pour mesurer les minuscules jets, tandis que la VLA a offert la sensibilité nécessaire pour détecter les faibles émissions prolongées de la formation d'étoiles.
« Ce type de découverte présente le pouvoir d'avoir plusieurs radiotélescopes complémentaires », a déclaré le co-auteur Marcello Giroletti de l'Institut national italien de l'astrophysique (INAF / IRA). « Le VLBA nous donne la loupe pour voir les Jets sur les échelles de parsec, tandis que le VLA fournit la vue grand angle pour comprendre le contexte plus large. »
Les observations ont duré plusieurs bandes de fréquences de 320 MHz à 5 GHz, permettant à l'équipe de construire des spectres radio détaillés et de confirmer le jeune âge de la source radio.
L'équipe prévoit de continuer à surveiller les puces 1911 + 4455 pour regarder comment ce jeune trou noir évolue au fil du temps. Ils espèrent également identifier des systèmes plus similaires pour construire un plus grand échantillon de clusters pré-alimentaires.
« Cette découverte ouvre une nouvelle façon d'étudier le rétroaction des trous noirs », a déclaré Ubertosi. « Au lieu de simplement regarder le résultat final, nous pouvons désormais étudier le processus au fur et à mesure qu'il se déroule. C'est comme avoir une machine à remonter le temps pour voir comment ces géants cosmiques commencent d'abord à façonner leur environnement. »
L'article vient d'être publié dans Le journal astrophysique. La recherche représente une étape importante vers la compréhension de l'un des processus les plus fondamentaux de l'évolution de la galaxie – comment les trous noirs supermassifs régulent la formation d'étoiles et influencent le développement des plus grandes structures de l'univers.
