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Les trous noirs supermassifs

La galaxie de Seyfert NGC 1097 du Fourneau abrite un trou noir supermassif de 140 millions de masses solaires. Documents ESO/R.Gendler.

Co-évolution des galaxies et des trous noirs supermassifs : à démontrer (II)

Les trous noirs supermassifs ont-ils un impact sur leur environnement ? Autrement dit, jouent-ils un rôle dans la formation et l'évolution des galaxies, notamment sur le taux de formation stellaire ?

Nous avons expliqué en cosmologie que les jeunes galaxies riches en gaz forment de nouvelles étoiles à un taux élevé mais faute de carburant, la formation stellaire finit par s'arrêter à mesure que la galaxie vieillit. Ainsi, on observe dans l'Univers primordial des galaxies formant plusieurs centaines d'étoiles chaque année alors que la Voie Lactée ne produit en moyenne qu'une seule étoile par an. Seul l'effet d'une pression dynamique (vent stellaire, etc.) sur le gaz présent dans le milieu interstellaire peut réinitialiser pendant quelque temps le processus de formation stellaire.

La croissance des trous noirs supermassifs libère de grandes quantités d'énergie. De manière générale, selon le scénario classique de formation et d'évolution des galaxies et des trous noirs supermassifs, le rayonnement ainsi que les gaz émis à grande vitesse par le coeur de ces galaxies à noyau actif (AGNs) peut affecter les nuages moléculaires (comme le CO) et modifier le taux de formation stellaire, voire même synthétiser des molécules comme l'eau ou des composés organiques. On y reviendra.

C'est du moins des hypothèses que tentent de confirmer les astrophysiciens depuis quelques années en démontrant ce qu'on appelle la co-évolution des galaxies et des trous noirs supermassifs. Il existe des observations appuyant cette théorie mais il existe également des contre-exemples qui ne confirment pas du tout cette éventuelle co-évolution.

Rétroaction des trous noirs supermassifs sur la formation d'étoiles

Dans une étude publiée dans la revue "Nature" (en PDF sur arXiv) en 2009, une équipe internationale d'astronomes dirigée par Andrea Cattaneo de l'Institut d'Astrophysique de Potsdam étudia la co-évolution des galaxies et des trous noirs supermassifs.

Un trou noir supermassif n'est lumineux que lorsqu'il affecte la matière des régions internes de la galaxie hôte (quasar, AGN, émetteur Lyman-alpha, etc). Les coeurs de ces galaxies actives sont très variables et leurs propriétés dépendent de la taille du trou noir, du taux d'accrétion du nouveau matériau tombant sur le trou noir et d'autres facteurs comme le taux de rotation.

Depuis des décennies, les astronomes se sont donc fondés sur la masse des trous noirs supermassifs comme une approximation de l'énergie fournie par les AGNs. Ils ont estimé que l'énergie libérée par ces trous noirs supermassifs empêchait la formation d'étoiles. En effet, cette énergie chauffe et dissipe le gaz alentour, empêchant son refroidissement et sa condensation pour former des étoiles. C'est du moins ce qu'on pensait jusqu'à présent.

Une question centrale dans l'évolution des galaxies est de savoir dans quelle mesure ce processus provoquerait un ralentissement du taux de formation stellaire dans les grandes galaxies elliptiques, qui possèdent généralement peu de gaz froid et peu de jeunes étoiles, contrairement aux galaxies spirales.

Pour le savoir, nous devons répertorier les AGNs et analyser l'origine et la nature de leurs rayonnements. C'est un travail de longue haleine qui occupe la communauté des astronomes depuis 1948 mais qui a déjà permis de cataloguer plus de 1.35 million de quasars (cf. le catalogue MILLIQUAS) et d'en dresser un portrait général à travers un modèle unifié.

A gauche, image composite d'une galaxie éloignée émetteur lyman-alpha ou "blob" LAE. Il s'agit du compositage d'une image optique Lyman-alpha (jaune) prise avec le télescope Subaru de la NAOJ, d'une image blanche prise poar le Télescope Spatial Hubble, d'une image infrarouge prise par le télescope Spitzer (rouge) et d'une image X prise par le satellite Chandra. Les rayonnements émis par le trou noir supermassif situé au coeur du blob sont suffisamment puissants pour ioniser et chauffer le gaz dans l'ensemble de la structure gazeuse. A droite, sa représentation artistique. Documents Chandra.

Dans une étude publiée dans l'"Annual Review of Astronomy and Astrophysics" en 2014, Timothy M. Heckman de l'Université Johns Hopkins et Philip N. Best de l'Observatoire Royal d'Edimbourg ont justement étudié la co-évolution des AGNs et des trous noirs supermassifs.

Les AGNs peuvent être divisés en deux populations distinctes :

- Les AGNs en mode radiatif associés à des trous noirs actifs qui émettent de l'énergie alimentée par accrétion à des taux supérieurs à ~1% de la limite d'Eddington (la luminosité maximale qui dépend de sa masse au-dessus de laquelle un trou noir ne peut plus accumuler de matière). Ils sont principalement associés à des trous noirs peu massifs se développant dans des pseudo-bulbes galactiques à haute densité en moins de 10 milliards d'années.

- Les AGNs en mode jet où l'essentiel de la production énergétique prend la forme d'écoulements collimatés, le fameux jet bipolaire. Ces AGNs sont associés à des trous noirs plus massifs situés dans des coeurs galactiques plus massifs et les galaxies elliptiques.

Le coeur des AGNs en mode radiatif contient du gaz froid de haute densité qui contribue à la formation d'étoiles. Les grandes fusions de galaxies ne sont pas le principal mécanisme de transport de ce gaz vers l'intérieur mais plutôt les processus séculaires qui semblent dominants.

Dans les AGNs en mode jet, le trou noir central est probablement alimenté par l'accrétion de gaz chaud se refroidissant lentement à un taux qui est limité par la rétroaction de l'AGN, c'est-à-dire par le chauffage fourni par le rayonnement de l'AGN. Les sondages portant sur les galaxies à haut redshift dressent un tableau similaire. Mais ni l'accrétion sur ces trous noirs ni la formation d'étoiles dans leur noyau ne sont importants à l'époque actuelle.

Sur base du fait que le rapport entre le taux de formation stellaire et la croissance des trous noirs est resté globalement constant au cours des 10 derniers milliards d'années, Heckman et Best estiment que les processus qui ont lié l'évolution cosmique des galaxies et des trous noirs supermassifs sont toujours à l'oeuvre aujourd'hui.

Les cas des quasars TXS0211-122 et TXS 0828+193 

Dans un article publié dans les "MNRAS" en 2017, l'astrophysicien Andrew Humphrey de l'Université de Porto et ses collègues ont publié les résultats d'une étude portant sur les quasars TXS0211-122 et TXS 0828+193 qui ressemblent visuellement à des étoiles mais comptent parmi les AGNs les plus actifs. Ils abritent chacun un trou noir supermassif dont les jets comptent parmi les plus puissants connus.

Les chercheurs ont découvert que ces AGNs présentaient des superbulles de gaz et de poussière en expansion dont l'origine la plus probable est une rétroaction du trou noir par laquelle l'AGN injectait de grande quantités d'énergie dans sa galaxie hôte, créant un puissant vent stellaire à l'origine de cette superbulle.

La galaxie IC 2497 et l'étrange structure verte située à proximité découverte en 2007 par l'amateur Hanny van Arkel dans le cadre du projet Galaxy Zoo. Voir le texte pour les explications. Document NASA/ESA, William Keel/U.Alabama et Galaxy Zoo adapté par l'auteur.

Dans le cas de ces deux AGNs, l'étude de la symbiose entre le trou noir supermassif et la galaxie massive montre que l'émission UV du disque d'accrétion du trou noir peut inhiber temporairement la formation d'étoiles en ionisant le milieu interstellaire. Ces éjections de gaz du trou noir supermassif peuvent donc entraîner une inhibition permanente de la formation d'étoiles.

Or les simulations de l'évolution des galaxies ainsi que certaines observations dont celle de la galaxie IC 2497 et de certains quasars indiquent qu'il existe une rétroaction des trous noirs supermassifs pouvant expliquer les propriétés des galaxies, en particulier la formation des étoiles.

Ainsi dans le cadre du projet collaboratif Galaxy Zoo qui permet aux amateurs de classer les galaxies afin d'aider les professionnels, l'amateur hollandais Hanny van Arkel découvrit en 2007 une étrange structure qu'il appela "l'Objet de Hanny" (Hanny's voorwerp) près de la galaxie spirale IC 2497 présentée ci-dessus située à 700 millions d'années-lumière dans la constellation du Petit Lion.

Le jet bipolaire (rouge) observé dans une galaxie massive de l'amas de Phoenix. Il s'agit d'une image composite radio (ALMA), X (Chandra) et en lumière blanche (HST). Document ALMA.

Après analyse, comme l'explique le schéma, à l'origine "l'Objet de Hanny" était une galaxie naine que la galaxie hôte captura il y a des millions d'années. Aujourd'hui, elle est en partie absorbée par IC 2497 mais il reste encore une queue de marée qui est portée à haute température (10000 K) par la friction dynamique.

IC 2497 abrite en son coeur un trou noir supermassif actif qui a transformé la galaxie en quasar. Il émet un puissant cône de lumière qui ionise une partie de la queue de marée ainsi que du gaz qui est expulsé jusqu'à la queue de marée où il comprime le milieu interstellaire, déclenchant la formation de nouvelles étoiles; il s'agit de la tache jaunâtre visible dans l'Objet de Hanny. IC 2497 est l'un des rares exemples où on observe un quasar et indirectement un trou noir produire une rétroaction sur la formation stellaire.

Dans une nouvelle étude publiée dans la revue "Nature" en 2018, Ignacio Martín-Navarro, postdoctorant à l'Université de Santa Cruz et ses collègues ont observé un phénomène analogue mais au coeur même de quasars très éloignés.

Les chercheurs ont analysé les mouvements des étoiles dans les galaxies et AGNs abritant des trous noirs supermassifs afin de déterminer les histoires de la formation stellaire à la recherche d'une éventuelle corrélation.

Grâce au sondage spectroscopique des galaxies massives réalisé au moyen du Hobby-Eberly Telescope (HET), ils ont apporté une nouvelle preuve observationnelle de l'effet des trous noirs sur la formation des étoiles. Pour cela, ils ont analysé plusieurs galaxies situées au coeur de l'amas de Phoenix situé à environ 5.7 milliards d'années-lumière dont l'un des membres très actif est présenté à gauche.

Pour affiner leurs résultats, les chercheurs ont analysé le spectre de plusieurs galaxies de cet amas et déterminé la meilleure combinaison de populations stellaires pouvant s'adapter aux données spectroscopiques. En comparant l'évolution stellaire dans des galaxies abritant des trous noirs de différentes masses, ils ont trouvé des différences frappantes mais pas du tout celles qu'ils attendaient. Ces différences ne dépendent pas des propriétés des galaxies (taille, morphologie, composition, etc) mais de la masse du trou noir. Autrement dit, il existe un couplage entre l'activité du trou noir supermassif et la formation d'étoiles tout au long de la vie d'une galaxie ou d'un AGN, corrélation qui affecte chaque génération d'étoiles.

Selon Martin-Navarro, pour des galaxies de même masse stellaire mais abritant des trous noirs de différentes masses, les galaxies dont les trous noirs sont plus massifs génèrent plus tôt et plus rapidement des étoiles que celles abritant des trous noirs plus petits ou moins massifs.

À la recherche des geysers rouges

L'une des galaxies naines (encart) contenant un geyser rouge signifiant qu'elle ne forme plus de nouvelles étoiles. La galaxie naine contient 3 milliards d'étoiles, soit cent fois moins que la grande galaxie située à l'avant-plan. Document Samantha Penny / U.Portsmouth, SDSS collab.

Cette rétroaction des trous noirs supermassifs fut confirmée en 2018 dans un article publié sur le site du SDSS (puis repris dans les "MNRAS") par l'équipe de Samantha Penny de l'Université de Portsmouth qui analysa 17 galaxies proches dans le cadre du projet MaNGA (Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory) à la recherche de ce que les astronomes ont appelé les "geysers rouges".

Penny définit un "geyser rouge" comme "le résultat du gaz tombant dans le trou noir central d'une galaxie. Lorsque le gaz est accrété, il s'échauffe jusqu'à des millions de degrés et brille de mille feux. Mais cette accrétion de gaz génère aussi de puissants vents soufflant à travers la galaxie à des milliers de kilomètres par seconde".

Selon Kevin Bundy, responsable du projet MaNGA à l'Université de Californie à Santa Cruz : "nous avons appelé ces caractéristiques geysers rouges parce que les explosions de vent sporadiques nous rappellent un geyser et parce qu'au stade terminal des formations stellaires, la galaxie ne contient plus que des étoiles rouges". En effet, a priori les astronomes ne s'attendaient pas à trouver des geysers rouges dans les grandes galaxies, souvent riches en gaz et en poussière. Or MaNGA a permis de découvrir que les trous noirs actifs peuvent produire des effets à travers toute une galaxie et affecter le taux de production d'étoiles.

En quelque trois années d'activité, MaNGA a permis aux astronomes d'analyser tous les types de galaxies, de la naine à la géante dont plus de 300 galaxies naines. À leur grande surprise, Penny et son équipe ont découvert des geysers rouges dans environ 10% des galaxies naines étudiées.

La question est maintenant de savoir quelle est la nature de cette rétroaction car un trou noir peut éjecter de l'énergie dans une galaxie de différentes façons. Cette découverte nécessite néanmoins de nouvelles données. Affaire à suivre.

Malheureusement, si cette théorie est valide pour les échantillons de galaxies étudiés, il existe au moins un contre-exemple (les recherches sont récentes) qui invalide la co-évolution.

Pas de co-évolution dans WISE1029+0501

Malgré toutes nos théories, il est encore difficile de comprendre la relation réelle entre l'activité des trous noirs supermassifs et la formation d'étoiles dans les galaxies. Si les exemples précités semblent confirmer cette co-évolution, toutes les observations ne vérifient pas la co-évolution des galaxies et des trous noirs supermassifs, c'est-à-dire cette éventuelle interaction entre le flux nucléaire et le taux de formation d'étoile.

L'astrophysicien Yoshiki Toba de l'ASIAA à Taiwan et ses collègues ont publié en 2018 les résultats d'une étude des nuages moléculaires CO et de la poussière froide de la galaxie WISE1029+0501 réalisée grâce au réseau milli/submillimétrique ALMA. Cette galaxie est une DOG (Dust-Obscured Galaxy) très pâle en lumière blanche mais au contraire très brillante en infrarouge lointain en raison de la présence d'une grande quantité de poussières, d'où l'intérêt d'utiliser ALMA pour l'étudier.

Ci-dessus, images de la galaxie WISE1029+0501 obtenues dans différents rayonnements. Documents Y.Toba et al. (2018)/SDSS/ALMA adaptés par l'auteur.

Après une analyse détaillée, ils n'ont trouvé étonnamment aucun effet significatif du trou noir supermassif sur l'écoulement du gaz moléculaire. De plus, l'activité de formation stellaire n'est ni activée ni supprimée. Selon les chercheurs, ceci prouve que l'intense vent stellaire lié au flot de gaz ionisé émis par le trou noir supermassif n'affecte pas significativement le gaz moléculaire environnant ni la formation stellaire.

Des études publiées en 2016 et 2017 indiquaient que l'écoulement de gaz ionisé entraîné par la puissance d'accrétion d'un trou noir supermassif a un grand impact sur le gaz moléculaire environnant. Cependant, il est très rare qu'il n'y ait pas d'interaction étroite entre le gaz ionisé et le gaz moléculaire, comme l'ont observé Toba et ses collègues. Il faut donc admettre que le rayonnement d'un trou noir supermassif n'affecte pas toujours le gaz moléculaire. Selon les chercheurs, cette situation pourrait se produire lorsque le gaz ionisé est éjecté du trou noir supermassif perpendiculairement au nuage moléculaire comme illustré ci-dessous.

Illustration d'artiste. Document ALMA.

En conclusion, les astrophysiciens reconnaissent qu'on est loin de démontrer la co-évolution entre l'activité des trous noirs supermassifs et le taux d'activité stellaire. Les recherches continuent.

On reviendra sur le rôle des trous noirs supermassifs dans l'éventuelle synthèse de molécules prébiotiques dans l'article consacré aux trous noirs supermassifs et la vie.

Les SLBH

Rappelons qu'il existerait dans l'univers des trous noirs encore plus massifs que les SMBH, surnommés les SLBH (Stupendously Large Black Holes ou trous noirs incroyablement grands). Ils se seraient formés à l'époque de l'Univers primitif, bien avant les galaxies. Mais pour l'heure, il ne s'agit que d'une hypothèse. On y reviendra lorsque nous décrirons la famille des trous noirs.

Pour plus d'informations

Sur ce site

Le trou noir

Le trou noir supermassif de la Voie Lactée

Les trous noirs supermassifs et la vie

Le trou noir et le principe holographique

La théorie des cordesau secours des trous noirs

Sur Internet

Schwarzschild Radius Calculator, Omni Calculator d'Alvaro Diez

Black Hole Temperature Calculator, Omni Calculator d'Alvaro Diez.

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