Le 12 mai, lors de neuf conférences de presse simultanées à travers le monde, des astrophysiciens a révélé la première image du trou noir au cœur de la Voie Lactée. Au début, aussi impressionnante soit-elle, l'image minutieusement produite de l'anneau de lumière autour du gouffre central de notre galaxie semblait simplement prouver ce que les experts s'attendaient déjà : le trou noir supermassif de la Voie lactée existe, il tourne et il obéit aux directives d'Albert Einstein. théorie générale de la relativité.
Et pourtant, à y regarder de plus près, les choses ne se résument pas vraiment.
À partir de la luminosité du bagel, les chercheurs ont estimé à quelle vitesse la matière tombe sur Sagittaire A* — le nom donné au trou noir central de la Voie lactée. La réponse est : pas du tout rapidement. "C'est bouché à cause d'un petit filet", a déclaré Priya Natarajan, cosmologiste à l'Université de Yale, comparant la galaxie à une pomme de douche cassée. D'une manière ou d'une autre, seulement un millième de l'affaire est se jetant dans la Voie Lactée du milieu intergalactique environnant, il descend jusqu'au trou. "Cela révèle un énorme problème", a déclaré Natarajan. « Où va ce gaz ? Qu’arrive-t-il au flux ? Il est très clair que notre compréhension de la croissance des trous noirs est suspecte.
Au cours du dernier quart de siècle, les astrophysiciens ont pris conscience de la relation étroite et dynamique qui existe entre de nombreuses galaxies et les trous noirs situés en leurs centres. « Il y a eu une transition vraiment énorme dans le domaine », déclare Ramesh Narayan, astrophysicien théoricien à l'Université Harvard. "La surprise a été que les trous noirs jouent un rôle important en tant que façonneurs et contrôleurs de l'évolution des galaxies."
Ces trous géants – des concentrations de matière si denses que la gravité empêche même la lumière de s’échapper – sont comme les moteurs des galaxies, mais les chercheurs commencent seulement à comprendre comment ils fonctionnent. La gravité attire la poussière et les gaz vers le centre galactique, où ils forment un disque d'accrétion tourbillonnant autour du trou noir supermassif, se réchauffant et se transformant en plasma chauffé à blanc. Ensuite, lorsque le trou noir engloutit cette matière (soit au compte-gouttes, soit par rafales soudaines), l'énergie est renvoyée dans la galaxie dans un processus de rétroaction. "Lorsque vous développez un trou noir, vous produisez de l'énergie et la rejetez dans l'environnement plus efficacement que par tout autre processus que nous connaissons dans la nature", a déclaré Eliot Quataert, astrophysicien théoricien à l'Université de Princeton. Cette rétroaction affecte les taux de formation d’étoiles et les schémas d’écoulement des gaz dans toute la galaxie.
Mais les chercheurs n'ont que de vagues idées sur les épisodes « actifs » des trous noirs supermassifs, qui les transforment en noyaux galactiques dits actifs (AGN). « Quel est le mécanisme déclencheur ? Qu'est-ce que l'interrupteur d'arrêt ? Ce sont les questions fondamentales que nous essayons toujours d'aborder », a déclaré Salle Kirsten du Centre Harvard-Smithsonian d'Astrophysique.
La rétroaction stellaire, qui se produit lorsqu’une étoile explose en supernova, est connue pour avoir des effets similaires à la rétroaction AGN à plus petite échelle. Ces moteurs stellaires sont largement assez gros pour réguler les petites galaxies « naines », alors que seuls les moteurs géants des trous noirs supermassifs peuvent dominer l’évolution des plus grandes galaxies « elliptiques ».
En termes de taille, la Voie Lactée, une galaxie spirale typique, se situe au milieu. Avec peu de signes évidents d’activité en son centre, notre galaxie a longtemps été considérée comme dominée par la rétroaction stellaire. Mais plusieurs observations récentes suggèrent que les retours d’AGN le façonnent également. En étudiant les détails de l’interaction entre ces mécanismes de rétroaction dans notre galaxie d’origine – et en s’attaquant à des énigmes telles que la pénombre actuelle de Sagittarius A* – les astrophysiciens espèrent comprendre comment les galaxies et les trous noirs coévoluent en général. La Voie lactée « est en train de devenir le laboratoire d’astrophysique le plus puissant », a déclaré Natarajan. En servant de microcosme, il « peut détenir la clé ».
Moteurs Galactiques
À la fin des années 1990, les astronomes acceptaient généralement la présence de trous noirs au centre des galaxies. Ils pouvaient alors voir suffisamment près de ces objets invisibles pour déduire leur masse des mouvements des étoiles autour d’eux. UN une étrange corrélation est apparue: Plus une galaxie est massive, plus son trou noir central est lourd. «C'était particulièrement serré et totalement révolutionnaire. D’une manière ou d’une autre, le trou noir parle à la galaxie », a déclaré Tiziana Di Matteo, astrophysicien à l'Université Carnegie Mellon.
La corrélation est surprenante si l’on considère que le trou noir, aussi grand soit-il, ne représente qu’une infime fraction de la taille de la galaxie. (Sagittaire A* pèse par exemple environ 4 millions de soleils, tandis que la Voie lactée mesure quelque 1.5 billion de masses solaires.) Pour cette raison, la gravité du trou noir n'exerce une force d'attraction que sur la région la plus interne de la galaxie.
Pour Martin Rees, l'astronome royal du Royaume-Uni, les retours d'AGN offraient un moyen naturel de connecter le trou noir relativement petit à la galaxie dans son ensemble. Deux décennies plus tôt, dans les années 1970, Rees avait émis l’hypothèse correcte que les trous noirs supermassifs alimenter les jets lumineux observé dans certaines galaxies lointaines et brillantes appelées quasars. Il a même proposé, avec Donald Lynden-Bell, qu'un trou noir expliquerait pourquoi le centre de la Voie lactée brille. Pourraient-ils être les signes d’un phénomène général qui régit la taille des trous noirs supermassifs partout ?
L’idée était que plus un trou noir avale de matière, plus il devient brillant, et l’augmentation de l’énergie et de l’élan projette le gaz vers l’extérieur. Finalement, la pression vers l’extérieur empêche le gaz de tomber dans le trou noir. « Cela mettra fin à la croissance. D’une manière vague, c’était le raisonnement », a déclaré Rees. Ou, selon les mots de Di Matteo, « le trou noir mange puis avale ». Une très grande galaxie exerce plus de poids sur le trou noir central, ce qui rend plus difficile le rejet du gaz vers l'extérieur, de sorte que le trou noir grossit avant d'être avalé.
Pourtant, peu d’astrophysiciens étaient convaincus que l’énergie de la matière infaillible pouvait être éjectée de manière aussi spectaculaire. "Quand je faisais ma thèse, nous étions tous obsédés par les trous noirs comme point de non-retour - juste du gaz entrant", a déclaré Natarajan, qui a contribué au développement des premiers modèles de rétroaction AGN en tant qu'étudiant diplômé de Rees. "Tout le monde a dû le faire avec beaucoup de prudence et de précaution car c'était tellement radical."
La confirmation de l'idée du feedback est venue quelques années plus tard, grâce aux simulations informatiques développées par Di Matteo et les astrophysiciens. Volker Springel ainsi que le Lars Hernquist. "Nous voulions reproduire l'étonnant zoo de galaxies que nous voyons dans l'univers réel", a déclaré Di Matteo. Ils connaissaient l’image de base : les galaxies étaient initialement petites et denses au début de l’univers. Remontez l'horloge et la gravité écrase ces nains ensemble dans un incendie de fusions spectaculaires, formant des anneaux, des tourbillons, des cigares et toutes les formes intermédiaires. Les galaxies grandissent et se diversifient jusqu'à ce qu'après suffisamment de collisions, elles deviennent grandes et lisses. "Cela finit dans une goutte", a déclaré Di Matteo. Dans les simulations, elle et ses collègues ont pu recréer ces grandes taches sans relief, appelées galaxies elliptiques, en fusionnant plusieurs fois les galaxies spirales. Mais il y avait un problème.
Alors que les galaxies spirales comme la Voie lactée comptent de nombreuses jeunes étoiles qui brillent en bleu, les galaxies elliptiques géantes ne contiennent que de très vieilles étoiles qui brillent en rouge. "Ils sont rouges et morts", a déclaré Springel, de l'Institut Max Planck d'astrophysique de Garching, en Allemagne. Mais chaque fois que l’équipe exécutait sa simulation, elle crachait des elliptiques qui brillaient en bleu. Ce qui désactivait la formation d'étoiles n'avait pas été capturé dans leur modèle informatique.
Ensuite, a déclaré Springel, « nous avons eu l’idée d’augmenter nos fusions de galaxies avec des trous noirs supermassifs au centre. Nous avons laissé ces trous noirs avaler du gaz et libérer de l'énergie jusqu'à ce que le tout s'effondre, comme une marmite à pression. Soudain, la galaxie elliptique arrêterait la formation d’étoiles et deviendrait rouge et morte.
"J'en suis resté bouche bée", a-t-il ajouté. "Nous ne nous attendions pas à ce que [l'effet] soit aussi extrême."
En reproduisant des vélos elliptiques rouges et morts, la simulation a renforcé les théories de rétroaction des trous noirs de Rees et Natarajan. Un trou noir, malgré sa taille relativement petite, peut communiquer avec la galaxie dans son ensemble grâce à des réactions. Au cours des deux dernières décennies, les modèles informatiques ont été affinés et étendus pour simuler de vastes étendues du cosmos, et ils correspondent largement au zoo galactique éclectique que nous voyons autour de nous. Ces simulations montrent également que l’énergie éjectée des trous noirs remplit l’espace entre les galaxies de gaz chauds qui autrement auraient déjà dû se refroidir et se transformer en étoiles. "Les gens sont désormais convaincus que les trous noirs supermassifs sont des moteurs très plausibles", a déclaré Springel. "Personne n'a imaginé un modèle réussi sans trous noirs."
Mystères du feedback
Pourtant, les simulations informatiques restent étonnamment brutales.
À mesure que la matière s'infiltre vers le disque d'accrétion autour d'un trou noir, la friction provoque le refoulement de l'énergie ; la quantité d'énergie perdue de cette façon est quelque chose que les codeurs intègrent manuellement dans leurs simulations par essais et erreurs. C'est le signe que les détails sont encore insaisissables. "Il est possible que, dans certains cas, nous obtenions la bonne réponse pour une mauvaise raison", a déclaré Quataert. "Peut-être que nous ne saisissons pas ce qui est réellement le plus important dans la façon dont les trous noirs se développent et comment ils déversent de l'énergie dans leur environnement."
La vérité est que les astrophysiciens ne savent pas vraiment comment fonctionne le feedback AGN. « Nous savons à quel point c’est important. Mais la cause exacte de ce retour nous échappe », a déclaré Di Matteo. "Le problème clé, c'est que nous ne comprenons pas les commentaires en profondeur, physiquement."
Ils savent qu’une certaine énergie est émise sous forme de rayonnement, ce qui donne aux centres des galaxies actives leur éclat brillant caractéristique. Des champs magnétiques puissants font également sortir la matière du disque d'accrétion, soit sous forme de vents galactiques diffus, soit sous forme de puissants jets étroits. Le mécanisme par lequel les trous noirs lanceraient des jets, appelé le Processus Blandford-Znajek, a été identifié dans les années 1970, mais ce qui détermine la puissance du faisceau et la quantité de son énergie absorbée par la galaxie est « encore un problème ouvert et non résolu », a déclaré Narayan. Le vent galactique, qui émane de manière sphérique du disque d’accrétion et a donc tendance à interagir plus directement avec la galaxie que les jets étroits, est encore plus mystérieux. « La question à un milliard de dollars est la suivante : comment se fait le couplage de l’énergie au gaz ? » dit Springel.
Un signe qu'il y a toujours un problème est que les trous noirs dans les simulations cosmologiques de pointe finissent par se retrouver faibles que les tailles observées de vrais trous noirs supermassifs dans certains systèmes. Pour arrêter la formation d'étoiles et créer des galaxies rouges et mortes, les simulations ont besoin que les trous noirs éjectent tellement d'énergie qu'ils étouffent le flux de matière entrant, de sorte que les trous noirs cessent de croître. « Le feedback dans les simulations est trop agressif ; cela freine la croissance prématurément », a déclaré Natarajan.
La Voie Lactée illustre le problème inverse : les simulations prédisent généralement qu’une galaxie de sa taille devrait avoir un trou noir entre trois et dix fois plus grand que celui de Sagittaire A*.
En examinant de plus près la Voie lactée et les galaxies voisines, les chercheurs espèrent que nous pourrons commencer à comprendre précisément le fonctionnement de la rétroaction AGN.
Écosystème de la Voie Lactée
En décembre 2020, des chercheurs du télescope à rayons X eROSITA ont rapporté avoir j'ai repéré une paire de bulles s'étendant sur des dizaines de milliers d'années-lumière au-dessus et au-dessous de la Voie Lactée. Les vastes bulles de rayons X ressemblaient à des bulles tout aussi déroutantes de rayons gamma que, 10 ans plus tôt, le télescope spatial Fermi à rayons gamma avait détectés émanant de la galaxie.
Deux théories sur l’origine des bulles de Fermi faisaient encore l’objet de vifs débats. Certains astrophysiciens ont suggéré qu'il s'agissait d'une relique d'un avion à réaction jailli du Sagittaire A* il y a des millions d'années. D’autres pensaient que les bulles étaient l’énergie accumulée de nombreuses étoiles explosant près du centre galactique – une sorte de rétroaction stellaire.
Quand Hsiang-Yi Karen Yang de l’Université nationale Tsing Hua de Taiwan a vu l’image des bulles à rayons X eROSITA, elle a « commencé à sauter de haut en bas ». Il était clair pour Yang que les rayons X pourraient avoir une origine commune avec les rayons gamma si les deux étaient générés par le même jet AGN. (Les rayons X proviendraient du gaz choqué dans la Voie Lactée plutôt que du jet lui-même.) Avec les coauteurs Ellen Zweibel ainsi que le Mateusz Ruszkowski, elle s'est mise à construire un modèle informatique. Les résultats, publié dans Astrophysique naturelle au printemps dernier, non seulement reproduisent la forme des bulles observées et d'un front de choc brillant, mais prédisent qu'elles se sont formées au cours d'une période de 2.6 millions d'années (s'étendant vers l'extérieur à partir d'un jet qui a été actif pendant 100,000 XNUMX ans) - beaucoup trop rapidement pour être expliqué par des commentaires stellaires.
Cette découverte suggère que la rétroaction AGN pourrait être bien plus importante dans les galaxies à disques ordinaires comme la Voie lactée que les chercheurs ne le pensaient. L'image qui se dessine s'apparente à celle d'un écosystème, a déclaré Yang, où l'AGN et la rétroaction stellaire sont étroitement liés au gaz chaud et diffus qui entoure les galaxies, appelé milieu circumgalactique. Différents effets et modèles de flux domineront dans différents types de galaxies et à différents moments.
Une étude de cas sur le passé et le présent de la Voie lactée pourrait révéler l'interaction de ces processus. Le télescope spatial européen Gaia, par exemple, a cartographié les positions et les mouvements précis de millions d'étoiles de la Voie lactée, permettant aux astrophysiciens de retracer l'histoire de ses fusions avec des galaxies plus petites. On a émis l’hypothèse que de tels événements de fusion activeraient des trous noirs supermassifs en y secouant de la matière, les faisant soudainement s’éclaircir et même lancer des jets. "Il y a un grand débat dans le domaine quant à l'importance ou non des fusions", a déclaré Quataert. Les données de l'étoile Gaia suggère que la Voie Lactée n'a pas subi de fusion au moment où les bulles Fermi et eROSITA se sont formées, défavorisant les fusions comme déclencheurs du jet AGN.
Alternativement, des gouttes de gaz peuvent entrer en collision avec le trou noir et l’activer. Il peut basculer de manière chaotique entre manger, éructer de l'énergie sous forme de jets et de vents galactiques, et faire une pause.
L'image récente de Sagittarius A* prise par le télescope Event Horizon, qui révèle son filet actuel de matière infaillible, présente un nouveau casse-tête à résoudre. Les astrophysiciens savaient déjà que la totalité du gaz aspiré dans une galaxie n’atteindrait pas l’horizon du trou noir, car les vents galactiques poussent vers l’extérieur contre ce flux d’accrétion. Mais la force des vents requise pour expliquer un flux aussi extrêmement effilé est irréaliste. "Lorsque je fais des simulations, je ne vois pas de vent énorme", a déclaré Narayan. "Ce n'est pas le genre de vent dont vous avez besoin pour une explication complète de ce qui se passe."
Simulations imbriquées
Une partie du défi dans la compréhension du fonctionnement des galaxies réside dans l’énorme différence entre les échelles de longueur en jeu dans les étoiles et les trous noirs et les échelles de galaxies entières et de leurs environs. Lors de la simulation d’un processus physique sur un ordinateur, les chercheurs choisissent une échelle et incluent les effets pertinents à cette échelle. Mais dans les galaxies, des effets petits et grands interagissent.
"Le trou noir est vraiment minuscule, comparé à la grande galaxie, et vous ne pouvez pas tous les mettre dans une seule et énorme simulation", a déclaré Narayan. "Chaque régime a besoin d'informations de la part de l'autre, mais ne sait pas comment établir le lien."
Pour tenter de combler cette lacune, Narayan, Natarajan et leurs collègues lancent un projet qui utilisera des simulations imbriquées pour construire un modèle cohérent de la façon dont le gaz circule à travers la Voie Lactée et la galaxie active voisine Messier 87. « Vous permettez aux informations de provenir du galaxie pour dire au trou noir quoi faire, puis vous permettez aux informations du trou noir de revenir en arrière et de dire à la galaxie quoi faire », a déclaré Narayan. «C'est une boucle qui tourne en rond et en rond.»
Les simulations devraient aider à clarifier le modèle d’écoulement du gaz diffus dans et autour des galaxies. (D'autres observations du milieu circumgalactique par le télescope spatial James Webb seront également utiles.) "C'est une partie essentielle de tout cet écosystème", a déclaré Quataert. "Comment amener le gaz jusqu'au trou noir pour chasser toute l'énergie qui en ressort ?"
Il est essentiel que dans le nouveau schéma, toutes les entrées et sorties entre les simulations à différentes échelles doivent être cohérentes, laissant moins de cadrans à tourner. "Si la simulation est correctement configurée, elle décidera de manière cohérente quelle quantité de gaz doit atteindre le trou noir", a déclaré Narayan. « Nous pouvons l’examiner et nous demander : pourquoi n’a-t-il pas consommé tout le gaz ? Pourquoi était-ce si difficile et consommait-il si peu d’essence disponible ? » Le groupe espère créer une série d’instantanés des galaxies au cours des différentes phases de leur évolution.
Pour l’instant, beaucoup de choses sur ces écosystèmes galactiques restent une intuition. « C'est vraiment une nouvelle ère, où les gens commencent à réfléchir à ces scénarios qui se chevauchent », a déclaré Yang. "Je n'ai pas de réponse claire, mais j'espère que j'en aurai dans quelques années."
Note de l'éditeur : Priya Natarajan siège actuellement au conseil consultatif scientifique de Quanta.
