HVGC-1: le cluster des parias

Nous avons déjà découvert des étoiles se déplaçant à des milliers de kilomètres par seconde. Cet amas globulaire fait-il de même?

À l'œil nu, les étoiles et les galaxies ressemblent souvent à de minuscules piqûres de lumière. Alors que pour de nombreuses sources, les télescopes peuvent fournir des images dans des détails presque surprenants, il existe de nombreux cas où la cible d'intérêt ressemble toujours à un point sur un écran. Dans ces cas, les astronomes peuvent dépendre de la spectroscopie pour leur donner même des informations de base sur ce qu'ils regardent.

Prenons, par exemple, l'objet HVGC-1, situé à environ 16 millions de parsecs de la Terre dans l'amas de galaxies de la Vierge. Quand il a été découvert pour la première fois en 2014, sa position dans le ciel signifiait qu'il pouvait s'agir d'une étoile dans le halo de la Voie lactée ou d'un amas globulaire voyous éjecté de la galaxie elliptique M87. Les mesures de vitesse radiale semblaient indiquer que cette dernière hypothèse était plus probable, mais il a fallu une photométrie optique et infrarouge, accompagnée de mesures de raies d'hydrogène dans ses spectres, pour finalement clore le cas.

Une image du télescope spatial Hubble de M87, avec un jet émis depuis son centre. Crédit d'image: NASA / Hubble.

HVGC-1 - abréviation de High-Velocity Globular Cluster 1 - est plus qu'une simple démonstration de la raison pour laquelle les mesures de raies spectrales sont incroyablement utiles. L'objet s'éloigne du M87 à une vitesse de plus de 2300 km / s, supérieure à la vitesse d'échappement de la galaxie. Ceci est sans précédent dans tout amas globulaire découvert à ce jour et semble indiquer un passé turbulent à la fois pour l'amas lui-même et pour la galaxie qu'il appelait autrefois la maison.

Le coupable? Très probablement un trou noir supermassif.

La spectroscopie frappe à nouveau

La découverte est survenue au milieu d'une recherche (Caldwell et al. 2014) de clusters globulaires vers le Cluster Vierge. Vieux, denses et pleins d'étoiles à faible métallicité, ces objets et les étoiles qui les composent sont probablement aussi vieux que les galaxies qu'ils orbitent. Leur formation et évolution précoces est toujours un sujet de recherche actif, et bien que nos échantillons les meilleurs et les plus détaillés d'amas globulaires soient au sein du groupe local, les étudier dans d'autres groupes de galaxies - comme M87 - peut nous aider à mieux comprendre certains aspects de la formation des galaxies .

Fig. 1, Caldwell et al. 2014. Les pics des distributions d'étoiles et d'amas globulaires sont clairs, et HVGC-1 est loin des deux.

Les astronomes ont étudié environ 2500 candidats amas globulaires et ont pu déterminer les décalages vers le rouge - et donc les vitesses radiales - pour environ 1800 d'entre eux. Les distributions de vitesse ont montré que les candidats tombaient en fait dans trois catégories distinctes: les galaxies, les amas globulaires dans l'amas de la Vierge et les étoiles de premier plan dans le halo de la Voie lactée. Lorsque les galaxies ont été retirées de l'échantillon, il restait un point de données éloigné des pics des distributions d'étoiles et d'amas globulaires, avec une vitesse radiale d'environ -1 000 km / s - une énorme valeur aberrante. Cela a soulevé une question: HVGC-1 était-il une étoile, une galaxie, un amas globulaire ou autre chose entièrement?

La spectroscopie nous permet de déterminer le mouvement d'un objet le long de notre champ de vision, mais les raies spectrales elles-mêmes nous fournissent encore plus d'informations. Par exemple, la présence et la forme de diverses lignes peuvent être un indicateur clé de la composition et de la température d'une étoile. La force des lignes est également importante, mais la force des lignes peut être diminuée par des choses comme l'extinction et, bien sûr, la loi du carré inverse. Par conséquent, si vous voulez essayer d'identifier un objet en fonction de la force de ses lignes, il est préférable de regarder les rapports des différentes lignes plutôt que les intensités absolues.

Fig. 3, Caldwell et al. 2014. Le HVGC-1 est clairement un amas globulaire.

Dans ce cas, l'équipe a examiné deux rapports de raies différents: Hγ divisé par la luminosité de la bande G et un rapport de deux types d'émission de Ca II, en utilisant des raies Balmer de plus haute énergie. En général, les amas globulaires de M87 ont des rapports de Ca II sensiblement inférieurs à ceux des amas globulaires d'Andromède ou des étoiles de champ. Le rapport Ca II du HVGC-1 était d'environ 0,5 - environ la moitié de ce que vous pourriez vous attendre à voir dans une étoile halo, mais parfait pour un amas globulaire.

Filtrer les étoiles

L'autre diagnostic majeur utilisé pour séparer l'objet d'éventuelles étoiles de premier plan était la photométrie simple. Dans une étude du groupe Virgo Cluster publiée plus tôt cette année-là, intitulée The Next Generation Virgo Cluster Survey-Infrared (NGVS-IR), Muñoz et al. 2014 avait trouvé un moyen intelligent de distinguer les amas globulaires des étoiles en comparant la photométrie de différents filtres. En prenant des mesures de luminosité dans les bandes K, u et i (centrées respectivement à 2190, 365 et 806 nm), ils ont tracé ik contre ui et identifié un certain nombre de régions dans ce qu'on appelle un diagramme uiK, y compris des lignes d'étoiles et amas globulaires.

Fig.14, Muñoz et al. 2014. Les deux lignes voisines d'étoiles de séquence principale et d'amas globulaires sont très densément peuplées.

L'équipe NGVS-IR avait étudié spécifiquement M87, faisant de leur découverte un outil vraiment utile pour Caldwell et al., Qui cherchaient des preuves supplémentaires que HVGC-1 était un cluster globulaire. Leur diagramme uiK n'a pas déçu, et l'objet cible est tombé magnifiquement dans la séquence des amas globulaires, comme prévu.

Fig.2, Caldwell et al. 2014.

Entre la photométrie et l'analyse du rapport de ligne, il semble que le groupe ait définitivement classé HVGC-1 comme un amas globulaire, se déplaçant à la vitesse incroyable de 2300 km / s par rapport à M87. Un calcul rapide a montré que cette vitesse est beaucoup plus grande que la vitesse d'échappement de la galaxie, indiquant que l'amas globulaire la quittera bientôt, ainsi que l'amas de la Vierge dans son ensemble. Nous voyons un certain nombre d'étoiles se déplacer comme ça dans la Voie lactée appelées étoiles d'hypervitesse (j'ai écrit au sujet d'une affaire intéressante, HE 0437-5439, plus tôt cette année!). On pense que ces étoiles ont atteint leurs vitesses immenses après des rencontres avec Sagittaire A *, le trou noir supermassif au centre de la galaxie. Se pourrait-il que quelque chose de similaire se soit produit avec le HVGC-1?

Trous noirs et grappes de bébés

L'idée d'une rencontre violente avec un trou noir supermassif est tentante et impliquerait une histoire violente pour M87. Pour qu'un objet soit éjecté d'un système, il doit y avoir au moins trois corps impliqués. Les étoiles à hypervitesse sont souvent dépourvues de compagnons binaires - les troisièmes corps impliqués - lorsqu'elles rencontrent un trou noir supermassif, mais cette binarité est très peu probable pour les amas globulaires! Les astronomes ont proposé une modification de la configuration, où deux trous noirs supermassifs espacés de pas plus de quelques parsecs auraient pu fournir l'impulsion nécessaire pour envoyer HVGC-1 dans l'espace intergalactique. Une telle rencontre éliminerait la plupart des étoiles de l'amas globulaire, ne laissant que son noyau dense.

Il y a du soutien pour cette idée. Alors que M87 ne contient qu'un seul trou noir supermassif, il est décalé par rapport au centre, ce qui pourrait indiquer que le trou noir est le résultat d'une fusion binaire. Les ondes gravitationnelles de l'événement pourraient être émises de manière anisotrope, éloignant le reste du centre galactique. Nous avons des preuves que la même chose s'est produite dans le quasar 3C 186.

Les étoiles à hypervitesse comme HE 0437–5439 peuvent être des vestiges de systèmes binaires ou triples étoiles. Crédit d'image: NASA.

Cela dit, comme c'est presque toujours le cas, il existe d'autres explications à la vitesse particulière. Une possibilité envisagée par le groupe est que les interactions entre les galaxies de l'amas de la Vierge auraient pu être supprimées de M87 - HVGC-1 parmi elles. Cependant, la distribution observée à partir d'autres objets candidats dans M87 ne s'étend pas jusqu'à la vitesse relative mesurée de 2300 km / s, ce qui signifie que HVGC-1 serait toujours une valeur aberrante. Une autre possibilité était que HVGC-1 soit le compagnon d'une galaxie naine «subhalo» en orbite autour de M87, déplacée par une interaction à trois corps. Encore une fois, cependant, il est peu probable que cela génère la vitesse requise.

Enfin, l'équipe a examiné une autre situation liée aux binaires supermassifs des trous noirs. Étant donné la densité du HGVC-1, il semblait possible que ce soit ce qu'on appelle un système stellaire hypercompact - un trou noir supermassif entouré d'un groupe d'étoiles, tous éjectés d'un système binaire de trou noir au centre de la galaxie par l'onde gravitationnelle émission. Cependant, la métallicité mesurée de l'amas était en profond désaccord avec la théorie - et, encore une fois, sa vitesse aussi.

Les astronomes préfèrent toujours l'idée d'une fusion binaire supermassive du trou noir - une perspective passionnante, car ces fusions pourraient être détectables par des systèmes comme les réseaux de synchronisation pulsar. Si nous observons effectivement M87 longtemps après un tel événement, il pourrait y avoir d'autres signes dans les populations stellaires proches du noyau de la galaxie. Peut-être que le jet astrophysique émergeant de son centre pourrait nous donner quelques indices. M87 est une galaxie absolument énorme, probablement plusieurs fois la masse de la Voie lactée, avec de riches groupes d'étoiles, des amas globulaires et du gaz et de la poussière. C'est un objectif constant d'étude à une grande variété de longueurs d'onde. Nous ne serons peut-être pas trop loin de la prochaine enquête pour apporter des preuves du curieux passé du HVGC-1.