Des études combinées aux rayons X et des simulations sur superordinateur suivent 12 milliards d'années de croissance des trous noirs cosmiques

En combinant des observations de rayons X de pointe avec des simulations sur ordinateur de pointe de la formation de galaxies au cours de l’histoire cosmique, les chercheurs ont fourni la meilleure modélisation à ce jour de la croissance des trous noirs supermassifs trouvés au centre des galaxies. En utilisant cette approche hybride, une équipe de recherche dirigée par des astronomes de Penn State a dressé un tableau complet de la croissance des trous noirs sur 12 milliards d'années, depuis les débuts de l'univers, âgé d'environ 1,8 milliard d'années, jusqu'à aujourd'hui, âgé de 13,8 milliards d'années.

Deux articles composent la recherche, l'un publié dans Le journal d'astrophysique, et un encore inédit qui sera soumis à la même revue. Les résultats seront présentés lors de la 244e réunion de l'American Astronomical Society, qui se tiendra du 9 au 13 juin au Monona Terrace Convention Center à Madison, Wisconsin.

“Les trous noirs supermassifs au centre des galaxies ont une masse de millions à milliards de fois supérieure à celle du soleil”, a déclaré Fan Zou, étudiant diplômé de Penn State et premier auteur des articles. “Comment deviennent-ils de tels monstres ? C'est une question que les astronomes étudient depuis des décennies, mais il a été difficile de suivre toutes les façons dont les trous noirs peuvent se développer de manière fiable.”

Les trous noirs supermassifs se développent grâce à une combinaison de deux canaux principaux. Ils consomment le gaz froid de leur galaxie hôte – un processus appelé accrétion – et peuvent fusionner avec d’autres trous noirs supermassifs lorsque les galaxies entrent en collision.

“Pendant le processus de consommation du gaz de leurs galaxies hôtes, les trous noirs émettent de puissants rayons X, et c'est la clé pour suivre leur croissance par accrétion”, a déclaré W. Niel Brandt, professeur d'astronomie et d'astrophysique à la chaire de la famille Eberly et professeur d'astrophysique. physique à Penn State et chef de l'équipe de recherche. “Nous avons mesuré la croissance induite par l'accrétion à l'aide des données d'étude du ciel à rayons X accumulées sur plus de 20 ans par trois des installations à rayons X les plus puissantes jamais lancées dans l'espace.”

L’équipe de recherche a utilisé des données complémentaires de l’observatoire de rayons X Chandra de la NASA, de la mission multi-miroirs à rayons X-Newton (XMM-Newton) de l’Agence spatiale européenne et du télescope eROSITA de l’Institut Max Planck de physique extraterrestre. Au total, ils ont mesuré la croissance induite par l’accrétion dans un échantillon de 1,3 million de galaxies contenant plus de 8 000 trous noirs à croissance rapide.

“Toutes les galaxies et les trous noirs de notre échantillon sont très bien caractérisés à plusieurs longueurs d'onde, avec de superbes mesures dans les bandes infrarouge, optique, ultraviolette et X”, a déclaré Zou. “Cela permet de tirer des conclusions solides et les données montrent qu'à toutes les époques cosmiques, les galaxies les plus massives ont fait croître leurs trous noirs par accrétion plus rapidement. Grâce à la qualité des données, nous avons pu quantifier ce phénomène important bien mieux que dans les travaux antérieurs. “.

La deuxième façon dont les trous noirs supermassifs se développent est la fusion, où deux trous noirs supermassifs entrent en collision et fusionnent pour former un seul trou noir, encore plus massif. Pour suivre la croissance par fusion, l’équipe a utilisé IllustrisTNG, un ensemble de simulations sur superordinateur qui modélisent la formation, l’évolution et la fusion des galaxies peu après le Big Bang jusqu’à aujourd’hui.

“Dans notre approche hybride, nous combinons la croissance observée par accrétion avec la croissance simulée par fusion pour reproduire l'historique de croissance des trous noirs supermassifs”, a déclaré Brandt. “Avec cette nouvelle approche, nous pensons avoir produit l'image la plus réaliste de la croissance des trous noirs supermassifs jusqu'à nos jours.”

Les chercheurs ont découvert que dans la plupart des cas, l’accrétion dominait la croissance des trous noirs. Les fusions ont apporté des contributions secondaires notables, en particulier au cours des 5 derniers milliards d’années du temps cosmique, pour les trous noirs les plus massifs. Dans l’ensemble, les trous noirs supermassifs de toutes masses se sont développés beaucoup plus rapidement lorsque l’univers était plus jeune. Pour cette raison, le nombre total de trous noirs supermassifs a presque disparu il y a 7 milliards d’années, alors qu’auparavant dans l’univers, de nombreux nouveaux trous continuaient d’émerger.

“Grâce à notre approche, nous pouvons suivre la manière dont les trous noirs centraux de l'univers local se sont probablement développés au fil du temps cosmique”, a déclaré Zou. “À titre d'exemple, nous avons considéré la croissance du trou noir supermassif au centre de notre galaxie, la Voie lactée, qui a une masse de 4 millions de masses solaires. Nos résultats indiquent que le trou noir de notre galaxie s'est probablement développé relativement tard dans le temps cosmique. “

En plus de Zou et Brandt, l'équipe de recherche comprend Zhibo Yu, étudiant diplômé à Penn State ; Hyungsuk Tak, professeur adjoint de statistiques et d'astronomie et d'astrophysique à Penn State ; Elena Gallo de l'Université du Michigan ; Bin Luo de l'Université de Nanjing en Chine ; Qingling Ni à l'Institut Max Planck de physique extraterrestre en Allemagne ; Yongquan Xue de l'Université des sciences et technologies de Chine ; et Guang Yang à l'Université de Groningen aux Pays-Bas.