Ils révèlent des détails sur la masse de gaz autour d’un trou noir

Au centre de nombreuses galaxies massives se trouvent des trous noirs supermassifs, dont la masse peut dépasser 1 million de fois la masse du Soleil. Comment ces trous noirs accumulent-ils autant de masse ? L’un des mécanismes les plus importants détectés lors de recherches antérieures est l’accrétion de gaz, un phénomène dans lequel le gaz de la galaxie hôte s’écoule vers le trou noir hébergé en son centre.

Le gaz qui s’accumule très près d’un trou noir supermassif atteint des vitesses élevées lorsqu’il est attiré par la gravité de l’étoile. La friction intense entre les particules de gaz fait chauffer le gaz jusqu’à plusieurs millions de degrés et émet une lumière vive. Ce phénomène est connu sous le nom de noyau galactique actif et sa luminosité peut dépasser celle de toutes les étoiles de la galaxie réunies. Ce qui est curieux, c’est qu’une partie du gaz qui s’écoule vers le trou noir (le flux d’accrétion) semble être expulsée dans un jet intense en raison de l’énorme énergie générée par ce noyau galactique actif.

Les études théoriques et les observations réalisées jusqu’à présent ont fourni des informations détaillées sur les mécanismes d’accrétion de gaz au centre depuis des échelles galactiques de 100 000 années-lumière jusqu’à des échelles de quelques centaines d’années-lumière. Cependant, le phénomène d’accrétion de gaz dans des régions beaucoup plus petites, à quelques dizaines d’années-lumière du centre d’une galaxie, était jusqu’à présent inconnu en raison de la très petite échelle spatiale qu’il couvre. Afin de comprendre la croissance des trous noirs en termes quantitatifs, il est nécessaire de mesurer le taux d’accrétion et de déterminer la quantité et les types de gaz (plasma, gaz atomique et gaz moléculaire) qui sont éjectés dans ces jets à de si petites échelles. Malheureusement, les études observationnelles n’ont pas fait beaucoup de progrès dans ce domaine jusqu’à présent.

Une équipe de recherche internationale dirigée par Takuma Izumi, professeur à l’Observatoire astronomique national du Japon (qui était affilié à l’observatoire et à l’Université métropolitaine de Tokyo au moment de l’étude), a franchi une étape sans précédent à l’échelle mondiale en mesurant quantitativement les flux de gaz et leurs structures dans toutes les phases (plasma, atomique et moléculaire) à une échelle minuscule – quelques années-lumière – autour d’un trou noir supermassif, grâce à l’observatoire Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). ). Les observations de gaz multiphasiques peuvent aider à comprendre raisonnablement la distribution et la dynamique de la matière entourant un trou noir. Dans cette étude, la galaxie Circinus, qui constitue un noyau galactique actif typique dans l’univers proche, a été observée à une résolution d’environ une année-lumière, la plus élevée atteinte à ce jour dans les observations de gaz multiphasiques dans un noyau galactique actif.

L’équipe de recherche a réussi à observer pour la première fois le flux d’accrétion vers le trou noir supermassif au sein du disque de gaz à haute densité qui s’étend sur plusieurs années-lumière du centre de la galaxie. L’identification de ce flux d’accrétion a toujours été une tâche difficile en raison de la petite échelle de la région observée et des mouvements complexes du gaz à proximité du centre galactique. Cependant, cette fois, l’équipe de recherche a déterminé précisément où le gaz moléculaire observé au premier plan absorbait la lumière du brillant noyau galactique actif situé derrière lui. Cela a été possible grâce aux observations à haute résolution réalisées avec ALMA, qui ont révélé, après analyse détaillée, que ce matériau absorbant s’éloigne de nous. Et comme cette matière se trouve toujours entre le noyau galactique actif et nous, l’équipe a pu observer le flux d’accrétion se déplaçant en direction du noyau galactique actif.

L’équipe a également réussi à élucider le mécanisme physique de l’accrétion des gaz. Le disque de gaz génère une force gravitationnelle si intense qu’elle ne peut être soutenue par la pression exercée par le mouvement du disque. En este tipo de situación, el disco de gas suele colapsar por efecto de su propio peso y dar paso a estructuras complejas que son incapaces de mantener un movimiento estable en el centro galáctico, tras lo cual el gas fluye rápidamente hacia el agujero negro en el centre. ALMA a permis de révéler ce phénomène physique, appelé instabilité gravitationnelle, au cœur de la galaxie.

Illustration illustrant la répartition du milieu interstellaire dans le noyau galactique actif selon les résultats de la nouvelle étude. Un gaz moléculaire à haute densité s’écoule de la galaxie vers le trou noir en suivant le plan du disque. Le matériau accumulé autour du trou noir génère une grande quantité d’énergie qui détruit le gaz moléculaire et le ramène à l’état atomique et plasmatique. La plupart de ces gaz multiphasiques sont éjectés dans des jets projetés par le cœur (y compris des jets de plasma remontant le disque et principalement des jets moléculaires ou atomiques diagonaux). La plupart de ces jets reviendront vers le disque, à l’instar des jets d’une fontaine d’eau ornementale. (Image : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Izumi et al.)

L’étude contribue également à améliorer considérablement la connaissance quantitative des flux de gaz autour des noyaux galactiques actifs. Le taux d’accrétion du gaz circulant vers le trou noir peut être calculé à partir de la densité du gaz observé et de la vitesse du flux d’accrétion. À la surprise de l’équipe scientifique, ce taux s’est avéré 30 fois supérieur à ce qui est nécessaire pour maintenir l’activité du noyau galactique actif. En d’autres termes, la majeure partie du flux d’accrétion à l’échelle d’une année-lumière autour du centre galactique ne contribue pas à la croissance du trou noir. D’où la question : où est passé tout l’excès de gaz ? L’étude a également permis d’élucider ce mystère grâce à des observations très sensibles des gaz dans toutes leurs phases dans les jets du noyau galactique actif détectés par ALMA. Des analyses quantitatives ont révélé que la majeure partie du gaz circulant dans le trou noir est éjectée sous forme de jets atomiques ou moléculaires. Cependant, comme ils ne sont pas assez rapides, ces jets ne peuvent échapper à la force gravitationnelle du trou noir et finissent par retourner vers le disque de gaz. Là, ils forment à nouveau un flux d’accrétion vers le trou noir, dans un phénomène fascinant de recyclage des gaz dans le centre galactique semblable au cycle d’une fontaine d’eau ornementale.

Takuma Izumi célèbre : « Détecter les flux d’accrétion et les jets sortants dans une région de quelques années-lumière autour d’un trou noir supermassif en croissance, et en particulier dans un gaz multiphasique, et même déchiffrer le mécanisme d’accrétion lui-même, sont des réalisations monumentales dans l’histoire de recherche sur les trous noirs supermassifs. Et à propos des perspectives d’avenir, il ajoute : « Pour bien comprendre la croissance des trous noirs supermassifs au cours de l’histoire cosmique, nous devons étudier plusieurs types de trous noirs supermassifs lointains. Pour cela, nous devons effectuer des observations à haute résolution et à haute sensibilité, et nous avons de grands espoirs pour les observations futures avec ALMA et les grands interféromètres radio de nouvelle génération.

L’étude est intitulée « Alimentation et rétroaction des trous noirs supermassifs observés à des échelles inférieures au parsec ». Et cela a été publié dans la revue académique Science. (Source : Grand réseau millimétrique/submillimétrique d’Atacama (ALMA))