Les trous noirs supermassifs façonnent les galaxies qui les abritent

Des modèles faisant intervenir des vents de gaz ionisés, produits par les disques d’accrétion autour des trous noirs supermassifs des galaxies et entrant en collision avec le milieu interstellaire, viennent de recevoir une confirmation après huit années d’observations dans le domaine des rayons X par le satellite XMM Newton de l’ESA. Ils éclairent la coévolution entre trous noirs supermassifs et galaxies.

Le début des années 1960 est marqué par deux découvertes étonnantes et mystérieuses pour les astrophysiciens de l’époque. Découvertes dont ils allaient comprendre les liens étroits au cours des décennies qui allaient suivre. La première date de juin 1962 et elle commence avec le lancement d’une fusée Aerobee 150 destinée à observer indirectement le rayonnement X du Soleilréfléchi par la Lune pendant quelques heures dans l’espace avant qu’elle ne retombe sur Terre. C’est une étape décisive de l’astronomie X que l’on considère souvent comme sa date de naissance en fait, bien que les premières observations la concernant soient antérieures.

Les astrophysiciens vont constater, à leur grande surprise, que le Soleil n’est pas la seule source importante de rayons X avec la mise en évidence de la première source en dehors du Système solaire, observée dans la constellation du Scorpion : Sco X-1. Un fond diffus de rayons X, venant donc de toutes les directions, est aussi révélé à ce moment-là. C’est un premier succès à l’époque pour le groupe du prix Nobel de physique italo-états-unien Riccardo Giacconi (décédé le 9 décembre 2018 à l’âge de 87 ans). Ce succès sera suivi d’un autre en 1970 avec le lancement du satellite Uhuru. Il va permettre en quelques années la réalisation de la première carte de la voûte céleste en rayons X et la découverte, ou l’étude plus précise, de plusieurs centaines de sources dont certaines sont devenues célèbres comme Centaurus X-3, le premier pulsar X découvert et Cygnus X-1, le premier candidat au titre de trous noirs.

Une présentation de l’astronomie des rayons X que l’on peut faire avec le télescope de l’ESA en orbite, XMM Newton. © euronews (en français)

Les quasars sous le regard de l’astronomie X

La deuxième grande découverte des astrophysiciens au début des années 1960, c’est celle du premier quasar, 3C 273, qui a été faite en 1963 par Maarten Schmidt, un astronome néerlandais. Elle va contribuer au renouveau des études en relativité générale et à la révolution de l’astrophysique et de la cosmologie relativiste des années 1960 aux années 1970. Or, nous savons maintenant que derrière les quasars et aussi de nombreuses sources X se trouvent des trous noirs, supermassifs dans le premier cas, accrétant de la matière.

Il se forme alors des disques où les frottements visqueux du gaz, tombant en spirale vers l’horizon des évènements des trous noirs, convertissent en chaleur l’énergie gravitationnelle potentielle libérée, portant la matière à plusieurs millions de degrés, c’est-à-dire précisément la température pour produire copieusement des rayons X.

Aujourd’hui, l’étude des quasars et des trous noirs stellaires dans des systèmes binaires se poursuit, notamment avec un satellite phare de l’ESA dont nous allons très bientôt fêter les 20 ans en orbite : XMM Newton (X-ray Multi-Mirror). Lancé le 10 décembre 1999 depuis Kourou par une fusée Ariane 5, il se trouve parfois à une distance de 114.000 kilomètres de notre planète, à 7.000 kilomètres au plus près. Les caméras du satellite sont parmi les plus sensibles et ses miroirs parmi les plus puissants jamais développés dans le monde pour les rayons X.

Cette années, on fête les 20 ans de service de XMM Newton. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Video

Une équipe d’astrophysiciens italiens vient d’ailleurs de publier dans le journal Astronomy & Astrophysics un article, également en accès libre sur arXiv, dans lequel les chercheurs se basent sur huit années d’observations avec XMM-Newton du quasar PG 1114+445. Cela leur a permis de préciser des idées, que l’on a depuis un moment déjà, en ce qui concerne les relations entre les caractéristiques des galaxies et celles des trous noirs supermassifs qu’elles abritent presque toutes.

On a ainsi remarqué depuis un moment qu’il existe très souvent une relation de proportionnalité entre la masse du trou noir supermassif, comprise entre un million et une dizaine de milliards de masses solaires, et la taille de la galaxie l’hébergeant. Cela suggère que les galaxies et les trous noirs géants croissent de pair et donc qu’il existe des interactions, probablement aussi des boucles de rétroactions, entre l’activité des trous noirs et celles des galaxies. La plus évidente est sans nul doute qu’il existe des fusions entre les galaxies entrant en collision, fusion qui à terme vont faire coalescer également les trous noirs supermassifs en leur cœur. C’est d’ailleurs précisément ce genre d’évènement que l’on veut étudier avec le détecteur d’ondes gravitationnelles eLisa.

Des vents de gaz ionisés relativistes

Les astrophysiciens pensent aussi à un autre phénomène. Le processus d’accrétion doit s’accompagner d’émissions de rayonnement et même de vents de matière dont la pression sur le milieu interstellaire et sur les nuages moléculaires au cœur des galaxies peut influencer la formation stellaire et même réguler voire stopper le processus d’accrétion de matière.

Dans le cas de PG 1114+445, XMM-Newton a permis de clarifier la structure des vents de matière émis par le disque d’accrétion du quasar. Un communiqué de l’ESA accompagne la sortie de l’article dans Astronomy & Astrophysics. On y lit ainsi les déclarations de l’astrophysicien Roberto Serafinelli, de l’Institut national d’astrophysique de Milan et qui a dirigé le travail d’étude : « Ces vents pourraient expliquer certaines corrélations surprenantes que les scientifiques connaissent depuis des années mais ne pouvaient expliquer… Par exemple, nous constatons une corrélation entre les masses de trous noirs supermassifs et la dispersion de vitesse des étoiles dans les parties intérieures de leurs galaxies hôtes. Cependant, il est impossible que cela soit dû à l’effet gravitationnel du trou noir. Notre étude montre pour la première fois comment ces vents de trou noir impactent la galaxie à plus grande échelle, fournissant éventuellement le chaînon manquant. »

On voit donc clairement maintenant trois structures (voir le schéma ci-dessus). Les deux premières déjà détectées auparavant sont respectivement les plus proches et les plus lointaines du trou noir central. Au plus proche, il y a donc des vents de gaz hautement ionisés et ultrarapides car se déplaçant à environ 40 % de la vitesse de la lumière. On désigne ces vents en anglais par « ultra-fast outflows » (UFOs). À plus grande distance, on trouve des vents de gaz ionisés similaires mais nettement plus lents, quelques centaines de kilomètres par seconde et que l’on appelle en anglais des « warm absorbers ». C’est la structure intermédiaire connectant ces deux flots de matière que les chercheurs ont découvert aujourd’hui.

« Nous croyons que c’est le lieu où les UFOs entrent en contact avec la matière interstellaire et l’entraînent comme un chasse-neige… Cela ressemble à un vent poussant des bateaux dans la mer », précise Serafinelli. Bien que des modèles aient prédit ce type d’interaction auparavant, c’est la première fois que des observations les vérifient.

Cela amène à penser que les trous noirs supermassifs transfèrent bien leur énergie dans leur environnement proche, ce qui peut conduire à l’éjection de la matière présente sous forme de gaz dans les régions centrales des galaxies. C’est ce qui expliquerait pourquoi la formation de nouvelles étoiles s’est largement arrêtée depuis quelques milliards d’années dans ces régions.

La prudence s’impose tout de même. Il ne s’agit pour le moment que d’une observation unique. Il faudrait la multiplier, notamment dans quelque temps avec le satellite Athena, pour aboutir à des conclusions fermes.

  • Deux études indépendantes suggèrent que certains trous noirs croissent plus rapidement que les galaxies qu’ils habitent. Cela remet en question l’idée communément admise, de longue date, que les trous noirs supermassifs croissent en parallèle avec leurs galaxies.
  • On ne connaît pas la raison de ce comportement atypique, mais il semble lié aux plus grandes galaxies. Ce sont peut-être celles qui collectent le plus facilement des courants de matière géants entre galaxies.
  • Le lien de croissance, et aussi entre d’autres caractéristiques que la masse des trous noirs et la taille des galaxies, est toutefois avéré dans de nombreux cas et on cherche à en comprendre la nature.
  • Des modèles faisant intervenir des vents de gaz ionisés, entrant en collision avec le milieu interstellaire sur lequel ils engendrent une pression chassant la matière présente loin des trous noirs supermassifs, viennent de recevoir une confirmation avec huit années d’observations dans le domaine des rayons X par le satellite XMM Newton de l’ESA.
POUR EN SAVOIR PLUS

Trous noirs supermassifs et galaxies ne croissent pas toujours de pair

Article de Laurent Sacco publié le 19/02/2018

Le lien de proportionnalité entre la croissance des galaxies et celle du trou noir supermassif, qu’elles sont nombreuses à héberger, est atypique pour les plus massives d’entre elles. Ces trous noirs croîtraient plus vite que leurs galaxies hôtes pour une raison encore inconnue.

C’est en 1963 que la découverte du premier quasar, 3C 273, a été faite par Maarten Schmidt, un astronome néerlandais. Dès 1964, les astrophysiciens Edwin Salpeter et Yakov Zel’dovich comprennent tout de suite que les immenses quantités d’énergie libérées par ces noyaux actifs de galaxies doivent s’expliquer par la présence en leur centre de trous noirs très massifs accrétant de la matière. Vers la fin des années 1960, ce point de vue est repris et développé quantitativement par quelques chercheurs, dont Martin Rees mais surtout par son collègue et compatriote, l’astrophysicien britannique Donald Lynden-Bell (décédé récemment, le 6 février 2018).

Sceptiques dans les années 1970, les collègues de Lynden-Bell et de Ress vont graduellement être convaincus par la suite que les galaxies hébergent effectivement des trous noirs supermassifs, y compris notre Voie lactée. Aujourd’hui, c’est une thèse majoritairement acceptée depuis au moins 20 ans, même si une preuve définitive de la présence d’objets ayant bien un horizon des évènements conforme aux prédictions de la théorie de la relativité générale manque encore.

Une présentation de la découverte faite avec Chandra. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Chandra X-ray Observatory

Des trous noirs de plusieurs milliards de masses solaires au centre d’amas de galaxies

Toujours est-il que l’on ne comprend pas très bien comment ces trous noirs supermassifs ont pu naître. D’année en année, les données concernant les caractéristiques des populations de ces objets et leur évolution, au cours des milliards d’années depuis le Big Bang, surprennent les astrophysiciens et les cosmologistes. Ainsi, on pensait avoir compris que les galaxies et les trous noirs supermassifs croissaient de pair car la masse de ces trous noirs semblait proportionnelle à celle de leurs galaxies hôtes (en général d’un facteur 1.000 environ). Mais deux équipes d’astronomes ont déposé récemment deux articles sur arXiv dans lesquels ils annoncent, indépendamment, un même résultat. Les galaxies les plus massives contiennent des trous noirs qui sont environ 10 fois plus massifs que prévu en se basant sur la loi de proportionnalité établie avec les galaxies examinées auparavant.

Menée par Guang Yang de l’université de Penn State (États-Unis), la première équipe est arrivée à cette découverte en se plongeant dans les données collectées dans le domaine des rayons X par le satellite Chandra, et en les combinant notamment avec celles fournies par Hubble dans le visible. Et ce, pour des galaxies situées entre 4,3 à 12,2 milliards d’années-lumière de la Voie lactée.

Mar Mezcua, de l’Institut des sciences spatiales d’Espagne, s’est lui concentré avec ses collègues sur les grandes galaxies que l’on trouve au cœur des amas de galaxies. Ce sont les plus grosses dans l’Univers observable. Au total, 72 d’entre elles ont été étudiées jusqu’à une distance d’environ 3,5 milliards d’années-lumière, et la moitié contenait des trous noirs supermassifs d’au moins 10 milliards de masses solaires (pour mémoire celui de notre Galaxie n’en contient que 4 millions environ). Si les observations de Chandra ont à nouveau été mises à contribution, elles ont cette fois-ci été complétées par les mesures dans le domaine radio, fournies par l’Australia Telescope Compact Array, le  Karl G. Jansky Very Large Array, le Very Long Baseline Array, des associations de radiotélescopes.

Les astrophysiciens et les cosmologistes ne comprennent pas mieux la naissance de ces objets que l’origine de ces différences. Peut-être que les grandes galaxies sont plus efficaces pour collecter des courants froids de matière intergalactique.


Galaxies et trous noirs croissent de pair

Article du CIRS, publié le 06/08/2003

Les galaxies et leur trou noir central croîtraient au même rythme, a révélé une équipe d’astronomes, sur la base d’une étude de 120.000 galaxies proches.

Ils apportent ainsi une réponse à un débat de longue date sur l’antériorité de la formation du trou noir ou de la galaxie, l’un par rapport à l’autre. « À l’instar de la poule et de l’œuf, il n’est pas possible de dire lequel est venu en premier », a déclaré Tim Heckman, de l’université Johns Hopkins (Baltimore, Maryland, États-Unis) et membre de l’équipe. Leurs résultats ont été présentés à la mi-juillet, lors d’une rencontre de l’Union astronomique internationale à Sydney (Australie).

La plupart des galaxies hébergent en leur cœur un trou noir, espace extrêmement dense dont la masse équivaut à plusieurs millions de fois celle du Soleil. La gravité des trous noirs est telle qu’elle leur permet d’absorber la matière environnante et ainsi d’accroître leur masse. Les astronomes se demandaient si ce sont les trous noirs qui donnent naissance aux galaxies, en réunissant poussière et gaz au sein d’étoiles, ou si au contraire, ce sont les galaxies qui, à partir d’une certaine masse, engendrent des trois noirs.

« Le fait que les étoiles et les trous noirs se forment à la même vitesse constitue une grande nouvelle qui sera utilisée dans les recherches à venir », indique Andrew King, de l’université de Leicester (Royaume-Uni).

Les auteurs de la découverte ont travaillé dans le cadre du Sloan Digital Sky Survey, collaboration internationale mise en place pour cartographier cent millions d’objets célestes et mettre en évidence leurs propriétés.

Cet article a été publiée par le journaliste laurent sacco 

26 juillet 2019
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