Trou noir remorqueur : comment les objets supermassifs entraînent des amas d'étoiles ✛
Au centre de la galaxie NGC 1600, située à 200 millions d'années-lumière de nous, les astronomes ont remarqué un amas d'étoiles dense. Il apparaissait comme un nœud brillant sur le fond d'une lueur diffuse, ce qui était inattendu. On pensait que dans ces galaxies elliptiques géantes, les amas nucléaires ne survivent pas : les fusions de trous noirs supermassifs auraient dû éjecter les étoiles du centre, ne laissant qu'un vide. Mais les observations du télescope Hubble montrent qu'un tiers des galaxies elliptiques massives cachent en leur cœur une concentration stellaire dense. Comment est-elle arrivée là ?
La réponse se trouve au moment où deux galaxies fusionnent et où leurs trous noirs, en orbite l'un autour de l'autre, émettent des ondes gravitationnelles. Ces ondes emportent de l'énergie et de l'impulsion, et le trou noir résultant subit un recul, comme un canon après un tir. Si le recul est modéré, le trou noir ne quitte pas la galaxie, mais commence à osciller autour du centre, tel un pendule. C'est alors qu'intervient l'effet que les auteurs ont appelé « remorquage par trou noir » : le trou noir, se déplaçant à travers la mer d'étoiles, entraîne avec lui une partie des étoiles, comme un remorqueur tire des barges. Les étoiles liées gravitationnellement au trou noir le suivent dans ses pérégrinations. Lorsque le trou noir revient au centre, ces étoiles y restent, formant un noyau dense, précisément l'amas nucléaire.
Pour vérifier cette idée, les scientifiques ont mené une série de simulations numériques reproduisant des fusions de galaxies. Ils ont pris six galaxies elliptiques géantes réelles, NGC 1600, A2147-BCG, NGC 6166, 4C+74.13, A2261-BCG et IC 1101, et les ont modélisées comme le produit de la collision de deux progéniteurs identiques. Chaque simulation suivait le destin de millions d'étoiles et de matière noire, ainsi que du trou noir, auquel on attribuait après la fusion un recul à une vitesse de 0.1, 0.3 ou 0.5 fois la vitesse de libération de la galaxie. Les résultats ont montré que pour de faibles vitesses de recul, le trou noir ne se déplace presque pas et le profil de densité stellaire reste inchangé. Pour de grandes vitesses, il éjecte les étoiles du centre, formant un noyau aplati. Mais pour des vitesses intermédiaires, précisément 500–1000 km/s, une compétition entre deux effets se produit : une partie des étoiles se lie au trou noir et se déplace avec lui, tandis qu'une autre partie est éjectée lors de son retour. Au centre subsiste une concentration dense, entourée d'un noyau aplati.
Les masses de ces concentrations dans les simulations vont de 0.5 à 38.4 × $10^8$ masses solaires, les rayons de 30 à 470 parsecs, et les dispersions de vitesses des étoiles à l'intérieur de 405 à 637 km/s. Ces valeurs se situent dans la gamme des amas nucléaires observés, bien que dans leur partie supérieure. Les concentrations sont presque sphériques : leur ellipticité n'est que de 0.06–0.24. Et elles sont stables : leur temps de relaxation dépasse 10 milliards d'années, elles survivront donc à de nombreuses générations d'étoiles. Cela lève une contradiction ancienne entre la théorie, qui prédisait la destruction des AN dans les galaxies géantes, et les observations, qui les trouvaient. Il s'avère qu'un même processus, le recul dû aux ondes gravitationnelles, peut, selon la vitesse, soit détruire, soit créer une concentration stellaire centrale.
L'avenir de ce mécanisme est lié aux nouveaux télescopes. Les instruments de classe 30 mètres et le télescope spatial James Webb pourront distinguer de tels amas dans des galaxies lointaines et vérifier s'ils naissent effectivement de cette manière. Si l'on découvre dans des galaxies présentant des signes de fusions passées des concentrations stellaires sphériques et chimiquement homogènes, cela constituerait une confirmation directe du modèle. En attendant, le trou noir remorqueur reste une explication élégante de la façon dont les objets les plus sombres de l'Univers peuvent rassembler autour d'eux des caravanes d'étoiles.
La vitesse de recul d'un trou noir peut atteindre 4000 km/s, ce qui est suffisant pour quitter définitivement la galaxie. Mais dans la plupart des cas, le recul est beaucoup plus faible, et le trou noir, tel un pendule, traverse plusieurs fois le centre avant de se stabiliser.
Dans le roman de Greg Egan, « La Fusée Horloge », des civilisations utilisent des trous noirs comme moteurs pour déplacer des systèmes stellaires. Le mécanisme de remorquage par trou noir, bien qu'à une échelle beaucoup plus petite, rappelle cette idée : le trou noir entraîne effectivement des étoiles avec lui.