Une équipe de chercheurs a pour la première fois capturé la fusion de deux galaxies, la puissante collision de leurs deux trous noirs supermassifs provoquant des ondulations dans la structure même de l’espace-temps.
Ce genre de collision devrait arriver dans quelques milliards d’années entre notre galaxie, la Voie lactée et la galaxie d’Andromède, comme le montre la vidéo ci-dessus, publiée par la NASA en mai.
Le chercheur Michael Koss et des astronomes de l’Université du Maryland ont observé des centaines de galaxies à l’aide d’images de l’observatoire WM Keck à Hawaii et du télescope spatial Hubble de la NASA, selon un communiqué de presse. Ils ont publié les résultats dans la revue Nature du 8 novembre 2018.
« Voir ces paires de noyaux de galaxies en fusion associées à ces énormes trous noirs si proches les uns des autres est plutôt énorme », a déclaré Michael dans un communiqué.
Ces trous noirs se sont développés très rapidement au cours des 10 à 20 millions d’années précédant la collision, « alors qu’ils dévorent le gaz dégagé par la fusion des galaxies », dit le communiqué.
Lorsque deux galaxies fusionnent, leurs trous noirs émettent des ondes gravitationnelles, qui constituent une forme d’énergie puissante et qui provoque des ondulations dans l’espace-temps. Ces ondes n’ont été découvertes que récemment en 2016 par les détecteurs LIGO (interféromètre laser).
Une recherche difficile
L’équipe de recherche s’est d’abord inspirée d’une image du télescope Hubble, qui montre deux galaxies presque combinées en une et qui a servi de modèle à cette étude. Une telle image est difficile à trouver.
La plupart des autres images de galaxies en fusion ont été capturées à des stades antérieurs, leurs trous noirs étant relativement éloignés les uns des autres. En effet, lorsque la fusion d’une paire de galaxies est presque terminée, elles sont entourées d’épais nuages de poussière et de gaz et seule une imagerie à très haute résolution peut isoler les noyaux en collision des deux galaxies.
Pour trouver d’autres bons exemples, l’équipe a recherché des trous noirs actifs au cours de 10 années de données de rayons X de la NASA issues du télescope Burst Alert (BAT) de l’observatoire Neil Gehrels Swift.
« L’avantage d’utiliser le BAT de Swift est qu’il observe les rayons X puissants », a déclaré le co-auteur de l’étude, Richard Mushotzky, professeur d’astronomie à l’UMD et membre du Joint Space-Science Institute (JSI). « Ces rayons X pénètrent à travers les épais nuages de poussière et de gaz qui entourent les galaxies actives, permettant ainsi au BAT de voir des choses qui sont littéralement invisibles avec d’autres longueurs d’ondes. »
L’équipe a ensuite recherché dans les archives Hubble des images des mêmes galaxies fusionnantes à partir des données de rayons X, puis a utilisé le télescope Keck pour trouver des galaxies qui ne figuraient pas dans les images de Hubble.
Les images qui en résultent font partie de « la plus grande enquête jamais réalisée sur les cœurs des galaxies voisines à l’aide d’images haute résolution en lumière infrarouge prises par les observatoires Hubble et Keck », selon le communiqué de presse.
« Les gens avaient déjà mené des études pour rechercher ces trous noirs en interaction étroite, mais ce qui a vraiment permis cette étude, ce sont les rayons X qui peuvent percer le cocon de poussière », a déclaré Michael Koss. « Nous avons également regardé un peu plus loin dans l’univers pour pouvoir explorer un plus grand volume d’espace, ce qui nous donne une plus grande chance de trouver des trous noirs plus lumineux et à croissance rapide. »
Les dernières étapes des collisions de galaxies
Les scientifiques ont pu trouver un certain nombre de paires de galaxies avec leurs trous noirs distants de 3 000 années-lumière environ, ce qui est très proche en termes de mesures cosmiques. Ces trous noirs supermassifs illustrés dans les images ci-dessus vont probablement se combiner pour former des trous noirs encore plus massifs dans les 10 millions d’années à venir.
L’équipe a recherché des galaxies aux trous noirs actifs et obscurcis par de grandes quantités de poussière et de gaz. Ils ont étudié un total de 96 galaxies avec le télescope Keck et 385 avec Hubble, toutes autour des 330 millions d’années-lumière de la Terre.
Selon le communiqué de presse, plus de 17 % de ces galaxies possèdent une paire de trous noirs au centre, ce qui représente un pourcentage étonnamment élevé « parce que la plupart des simulations suggèrent que les paires de trous noirs passent très peu de temps dans cette phase. »
Ils ont ensuite comparé ces galaxies avec un groupe de contrôle de 176 parmi les images de Hubble, qui n’avait que 1 % de paires de trous noirs lors des dernières étapes de fusion. Ces observations directes n’avaient pas été faites auparavant.
« Les simulations informatiques des collisions de galaxies nous montrent que les trous noirs se développent plus rapidement au cours des phases finales des fusions, à peu près au moment où les trous noirs interagissent et c’est ce que nous avons constaté dans notre étude », a déclaré Laura Blecha, professeure assistante de physique à l’Université de Floride et co-auteure de l’étude.
« Le fait que les trous noirs grandissent de plus en plus rapidement au fur et à mesure que les fusions progressent nous indique que les rencontres de galaxies sont vraiment importantes pour comprendre comment ces objets célestes sont devenus si gigantesques. »
Ces galaxies fusionnantes et ces trous noirs supermassifs auraient été encore plus répandus au commencement de l’univers qu’aujourd’hui. Les scientifiques espèrent avoir une meilleure vue de ces collisions avec le lancement du télescope spatial très sensible James Webb de la NASA en 2021.
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