HVGC-1: le cluster exclu

Nous avons déjà découvert des étoiles se déplaçant à des milliers de kilomètres par seconde. Ce cluster globulaire fait-il la même chose?

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 avec des détails presque saisissants, il existe de nombreux cas où la cible de l’intérêt ressemble toujours à un point sur un écran. Dans ces cas, les astronomes peuvent s’appuyer sur la spectroscopie pour leur fournir des informations, même élémentaires, sur ce qu’ils étudient.

Prenez, par exemple, l'objet HVGC-1, situé à environ 16 millions de parsecs de la Terre dans le groupe de la Vierge des galaxies. Lorsqu’il a été découvert en 2014, sa position dans le ciel signifiait qu’il pouvait être soit une étoile dans le halo de la Voie lactée, soit un amas globulaire voyou éjecté de la galaxie elliptique M87. Les mesures de vitesse radiale semblaient indiquer que cette dernière hypothèse était plus vraisemblable, mais il a fallu une photométrie optique et infrarouge, accompagnée de mesures des raies d'hydrogène dans ses spectres, pour clore définitivement l'affaire.

Image du télescope spatial Hubble de M87 avec un jet émis par son centre. Crédit image: NASA / Hubble.

HVGC-1 - abréviation de High-Velocity Globular Cluster 1 - est intéressant car il ne suffit pas de démontrer que les mesures de raies spectrales sont incroyablement utiles. L’objet s’éloigne de M87 à une vitesse de plus de 2300 km / s, supérieure à la vitesse de sortie de la galaxie. Cela est sans précédent pour tous les groupes globulaires découverts à ce jour, et semble indiquer un passé turbulent à la fois pour le groupe lui-même et pour la galaxie qu’elle appelait autrefois sa patrie.

Le coupable? Très probablement un trou noir supermassif.

La spectroscopie frappe à nouveau

La découverte est intervenue au milieu d'une recherche (Caldwell et al. 2014) de grappes globulaires en direction du groupe de la Vierge. Anciennes, denses et pleines 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 précoce et leur évolution sont toujours un sujet de recherche actif et, bien que nos échantillons les plus détaillés et les plus détaillés d'agrégats globulaires appartiennent au groupe local, leur étude 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 de distribution des grappes étoiles et globulaires sont clairs et HVGC-1 est loin de les deux.

Les astronomes ont étudié environ 2 500 candidats potentiels et ont pu déterminer le décalage vers le rouge - et donc la vitesse radiale - pour environ 1 800 d'entre eux. Les distributions de vitesse ont montré que les candidats appartenaient en réalité à trois catégories distinctes: les galaxies, les amas globulaires du groupe de la Vierge et les étoiles au premier plan dans le halo de la Voie lactée. Lorsque les galaxies ont été retirées de l'échantillon, il restait un point de données très éloigné des pics des distributions d'étoiles et d'amas globulaires, avec une vitesse radiale d'environ -1 000 km / s - une valeur aberrante. Cela souleva une question: HVGC-1 était-il une étoile, une galaxie, un amas globulaire ou autre chose?

La spectroscopie nous permet de déterminer le mouvement d’un objet le long de notre champ de vision, mais les lignes spectrales elles-mêmes nous fournissent encore plus d’informations. Par exemple, la présence et la forme de différentes lignes peuvent être un indicateur clé de la composition et de la température d’une étoile. La force des lignes est également importante, mais elle peut être réduite par des facteurs tels que l'extinction et, bien sûr, par la loi des carrés inverses. Par conséquent, si vous souhaitez essayer d’identifier un objet en fonction de la force de ses lignes, il est préférable de rechercher des ratios de différentes lignes plutôt que des intensités absolues.

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

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

Filtrer les étoiles

L’autre diagnostic principal utilisé pour séparer l’objet d’éventuelles étoiles de premier plan était la photométrie simple. Dans une enquête sur le cluster Virgo publiée au début de l'année, intitulée Enquête sur les grappes de la nouvelle génération Virgo - Infrarouge (NGVS-IR), Muñoz et al. L'année 2014 avait mis au point un moyen intelligent de distinguer les grappes globulaires des étoiles en comparant la photométrie de différents filtres. En prenant des mesures de luminosité dans les bandes K, u et i (centrées à 2190, 365 et 806 nm, respectivement), ils ont tracé la courbe ik contre ui et ont identifié un certain nombre de régions dans ce que l’on appelle un diagramme uiK, y compris les lignes en étoile et grappes globulaires.

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

L’équipe NGVS-IR avait étudié spécifiquement M87, faisant de leur découverte un outil très utile pour Caldwell et ses collaborateurs, qui recherchaient davantage de preuves que HVGC-1 était un cluster globulaire. Leur diagramme uiK n'a pas déçu et l'objet cible est tombé à merveille dans la séquence de cluster globulaire, comme prévu.

Fig. 2, Caldwell et al. 2014.

Entre la photométrie et l'analyse du rapport linéaire, il semble que le groupe ait définitivement classé HVGC-1 en tant que groupe globulaire, se déplaçant à la vitesse incroyable de 2300 km / s par rapport à M87. Un rapide calcul a montré que cette vitesse était bien supérieure à la vitesse de sortie de la galaxie, indiquant que le groupe globulaire le quitterait bientôt, ainsi que le groupe de la Vierge dans son ensemble. Nous voyons un certain nombre d'étoiles se déplaçant de la sorte dans la Voie lactée, appelées étoiles d'hypervélocité (j'ai parlé d'un cas intéressant, HE 0437–5439, plus tôt cette année!). On pense que ces étoiles ont atteint leur vitesse immense après des rencontres avec Sagittarius A *, le trou noir supermassif situé au centre de la galaxie. Quelque chose de similaire aurait-il pu se passer avec HVGC-1?

Trous noirs et amas 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 d'hypervélocité sont souvent dépourvues de compagnons binaires - les troisièmes corps impliqués - lorsqu'elles rencontrent un trou noir supermassif, mais cette binarité est hautement improbable pour les amas globulaires! Les astronomes ont proposé une modification de la configuration: deux trous noirs supermassifs, espacés de moins d'un parsec, auraient pu donner l'impulsion nécessaire pour envoyer le HVGC-1 dans l'espace intergalactique. Une telle rencontre enlèverait la plupart des étoiles du groupe globulaire, ne laissant que son noyau dense.

Il y a un soutien pour cette idée. Bien que M87 ne contienne 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, propulsant le reste loin du centre galactique. Nous avons des preuves que la même chose s’est produite au quasar 3C 186.

Les étoiles d'hypervélocité telles que HE 0437–5439 peuvent être des restes de systèmes binaires ou à trois étoiles. Crédit d'image: NASA.

Cela dit, comme c'est presque toujours le cas, il existe d'autres explications à la vitesse particulière. L'une des possibilités envisagées par le groupe est l'interaction entre les galaxies du groupe de la Vierge et la séparation de M87 - HVGC-1. Cependant, la distribution observée d’autres objets candidats dans M87 ne va pas aussi loin que la vitesse relative mesurée de 2300 km / s, ce qui signifie que HVGC-1 resterait 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, cela ne générerait probablement pas la vitesse requise.

Enfin, l’équipe a examiné une autre situation liée aux binaires de trous noirs supermassifs. Compte tenu de la densité de HGVC-1, il semblait possible que ce soit en fait 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 situé au centre de la galaxie via une onde gravitationnelle. émission. Cependant, la métallicité mesurée de la grappe était en total désaccord avec la théorie - et, encore une fois, sa vitesse fait de même.

Les astronomes restent favorables à l’idée d’une fusion binaire avec un trou noir supermassive - une perspective intéressante, dans la mesure où ces fusions pourraient être détectées par des systèmes tels que les matrices de synchronisation à pulsars. Si nous observons effectivement M87 longtemps après un tel événement, il pourrait y avoir d’autres signes dans les populations stellaires proches du cœur de la galaxie. Peut-être que le jet astrophysique émergeant de son centre pourrait nous donner des indices. M87 est une galaxie absolument énorme, probablement plusieurs fois supérieure à la masse de la Voie lactée, avec de riches groupes d'étoiles, des amas globulaires, du gaz et de la poussière. C’est une cible d’étude constante dans une grande variété de longueurs d’onde. Nous ne serons peut-être pas trop éloignés de la prochaine enquête pour fournir des preuves du passé curieux de HVGC-1.