Les trous noirs supermassifs

Co-évolution des galaxies et des trous noirs supermassifs (IV)

Les trous noirs supermassif actifs émettent un puissant jet de matière dont l'énergie peut facilement modifier les propriétés du milieu jusqu'à de grandes distances. On peut alors se demander si les trous noirs ne joueraient pas un rôle dans la formation et l'évolution des galaxies, notamment sur le taux de formation des étoiles ?

Si l'idée paraît à priori saugrenue, il ne faut pas se fier au bon sens. Nous savons que les trous noirs peuvent dévier la courses des étoiles et perturber des nuages de gaz. Leur jet de matière peut également se propager sur de longues distances. Observé en détails, ce jet forme des filaments où se condense la matière. Si les conditions de densité et de température sont réunies, elle pourrait former de nouvelles étoiles. Il paraît donc logique que les trous noirs supermassifs aient finalement un effet sur la formation des étoiles. Mais comment pourraient-ils modifier le taux de formation d'étoiles (ou SFR) de toute une galaxie, un phénomène qui se déroule à grande échelle ? Simplement pour la même raison que vu leur masse et leur dimension très importantes, l'activité des trous noirs supermassifs actifs peut engendrer des effets à grande échelle.

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 d'étoiles finit par s'arrêter à mesure que la galaxie vieillit. Ainsi, on observe dans l'Univers primitif des galaxies formant l'équivalent de plusieurs centaines d'étoiles chaque année alors que la Voie Lactée produit en moyenne à peine trois étoiles 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 d'étoiles.

Nous savons que les galaxies à noyau actif (AGN) abritent des trous noirs supermassifs consommant de grandes quantités de matière. De manière générale, selon le scénario classique de formation et d'évolution des galaxies et des trous noirs supermassifs, la croissance des trous noirs supermassifs libère de grandes quantités d'énergie pouvant produire d'importants flux sortants. Les AGN les plus puissants génèrent des émissions très massives qui pourraient éliminer tout le gaz de leur galaxie hôte dans un laps de temps relativement "court" et modifier le SFR, jusqu'à provoquer l'arrêt de la formation d'étoiles. Le rayonnement ainsi que les gaz émis à grande vitesse par le coeur des AGN peuvent également affecter les nuages moléculaires (comme le CO) voire même synthétiser des molécules comme l'eau ou des composés organiques. On y reviendra dans l'article sur les trous noirs supermassifs et la vie.

C'est du moins des hypothèses que tentent de confirmer les astrophysiciens depuis les années 2000 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 quelques contre-exemples qui ne confirment pas du tout cette éventuelle co-évolution. La question est donc de savoir pourquoi cette co-évolution ne se produit pas systématiquement et donc quelles sont les conditions qui permettent ou empêchent cette rétroaction.

Effet du rayonnement des AGN

Dans une des premières études sur le sujet publiée dans la revue "Nature" en 2009 (en PDF sur arXiv), 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, Petits Points Rouges, 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 AGN. 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 flux sortant provoquerait un ralentissement du taux de formation stellaire, en particulier dans les grandes galaxies elliptiques qui possèdent généralement peu de gaz froid et peu de jeunes étoiles, contrairement aux galaxies à disque (les spirales et les lenticulaires).

Pour le savoir, nous devons répertorier les AGN 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 d'une galaxie lointaine 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 prise par 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 AGN et des trous noirs supermassifs.

Le coeur des AGN en mode radiatif (cf. la classification des AGN) 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 AGN 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.

Nature du vent galactique des AGN

Parmi les découvertes faites grâce au JWST, des observations indiquent que les trous noirs supermassifs peuvent freiner rapidement la formation des étoiles dans les galaxies massives en expulsant violemment de grandes quantités de gaz dans l'espace.

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2024 (en PDF sur Semantic Scholar), une équipe internationale d'astronomes dirigée par Sirio Belli de l'Université de Bologne a découvert que plus de 90% du vent galactique est constitué de gaz neutre qui était donc pratiquement invisible dans les études en lumière blanche réalisées jusqu'à présent. Cette étude est donc la première confirmation directe que les trous noirs supermassifs sont capables d'épuiser des galaxies.

La différence entre cette nouvelle étude et les travaux antérieurs réside dans le type de gaz observé : jusqu'à présent, il était possible de détecter uniquement du gaz ionisé, car il est chaud. Mais grâce au JWST sensible à l'infrarouge, on peut désormais également détecter du gaz neutre, qui est froid.

L'astrophysicienne Rebecca Davies du Centre d'Astrophysique et de Calcul Intensif de l'Université de Technologie de Swinburne, coautrice de cet article, dirigea l'équipe australienne et aida à trouver le puissant écoulement provoqué par un trou noir caché dans la galaxie COSMOS-11142 située à z = 2.44 soit une distance propre de 11 milliards d'années-lumière. Il s'agit d'une galaxie très massive (log M_*/M = 10.9 soit environ 80 milliards de masses solaires) et quiescente, présentant par ailleurs un très faible SFR compris entre 1 et 10 M par an (soit au mieux trois plus que la Voie Lactée). Selon les chercheurs, cette galaxies connut une phase "starburst" qui est pratiquement terminée, ce qui explique son faible SFR.

Selon Davies, "le flux sortant des galaxies élimine le gaz avant qu'il forme les étoiles, ce qui indique que le flux sortant est susceptible d’avoir un impact très significatif sur l'évolution d'une galaxie. Nos résultats fournissent de nouvelles preuves indiquant que les flux sortants provoqués par les trous noirs sont capables d’arrêter ou d'éteindre rapidement la formation d’étoiles dans les galaxies massives."

Lorsque la formation des étoiles est interrompue, cela signifie qu'une galaxie qui jusqu'alors formait activement des étoiles lui permettant de croître et d'évoluer, se transforme en une galaxie anémiée, "morte" et statique. L'extinction est donc un processus fondamental dans le cycle de vie des galaxies. Cependant, les astronomes ne comprennent toujours pas en détail dans quelles conditions les galaxies cessent de former des étoiles.

Davies a également étudié un AGN situé à z ~ 1.8 soit une distance propre de 10 milliards d'années-lumière. Selon Davies, "Dans la galaxie étudiée, nous avons constaté que le débit sortant [de gaz] dans la phase neutre était environ 100 fois supérieur au taux sortant dans la phase ionisée, révélant ainsi une grande quantité de masse sortante qui était auparavant invisible."

Sur base de ces découvertes, Davies affirme que le JWST peut être utilisé pour détecter une fraction beaucoup plus importante des flux, alors que les observations précédentes de gaz ionisé n'étaient capables de détecter qu'environ 1% du flux total. Pour reprendre l'expression de Davies, "Avant le JWST, nous ne faisions qu'effleurer la pointe de l'iceberg en ce qui concerne la masse sortante."

La galaxie de Pablo, GS-10578 privée de son gaz

Dans un article publié dans la revue "Nature Astronomy" en 2024, une équipe internationale de chercheurs codirigée par Francesco D'Eugenio de l'Insitut Kavli de Cosmologie de l'Université de Cambridge confirma qu'un trou noir supermassif peut priver sa galaxie hôte du carburant dont elle a besoin pour former de nouvelles étoiles.

Les chercheurs ont utilisé le JWST pour observer une galaxie de la taille de la Voie Lactée cataloguée GS-10578 évoluant dans l'Univers primitif vers z = 3.06 soit environ deux milliards d'années après le Big Bang. Elle est cataloguée parmi les "blue nuggets" (BN), c'est-à-dire "les pépites bleues", une classe de galaxies massives et extrêmement compactes (rayon de 0.5 à 2 kpc) dont on pense qu'elles sont les progénitrices des galaxies compactes quiescentes (cf. G.Barro et al., 2013).

D'après son spectre, sa masse stellaire atteint ~160 milliards de masses solaires pour une masse dynamique d'environ 200 milliards de masses solaires. Surnommée la "galaxie de Pablo" par référence à un collègue de l'équipe (Pablo Guillermo Pérez-González) qui décida de l'observer en détails, elle est plutôt massive pour évoluer si tôt dans l'Univers.

Comme la plupart des grandes galaxies, elle abrite un trou noir supermassif central. Cependant, cette galaxie est pour ainsi dire "morte", cataloguée parmi les galaxies massives quiescentes, car elle a déjà pratiquement cessé de former de nouvelles étoiles. En effet, la plupart de ses étoiles sont âgées entre 12.5 et 11.5 milliards d'années.

Selon les chercheurs, sur les 100 derniers millions d'années, en moyenne son SFR = 40 ±20 M par an. C'est cinq fois inférieur au SFR des galaxies Starbursts abritant des étoiles de la Séquence principale situées à la même distance (z = 3) et comparable au seuil de quiescence de 19 M par an. Cependant, le SFR réel est probablement plus faible car l'émission nébulaire mesurée est principalement alimentée par l'AGN et une partie du SFR est due aux galaxies satellites.

Selon D'Eugenio, "Sur la base d'observations antérieures, nous savions que cette galaxie était dans un état éteint : elle ne forme pas beaucoup d'étoiles compte tenu de sa taille, et nous pensons qu'il existe un lien entre le trou noir et la fin de la formation d'étoiles."

Selon son collègue Roberto Maiolino, professeur d'astrophysique expérimentale à l'Institut Kavli de cosmologie, "Dans l’Univers primitif, la plupart des galaxies formaient beaucoup d'étoiles. Il est donc intéressant d'observer une galaxie morte aussi massive à cette époque. Si elle avait eu suffisamment de temps pour atteindre cette taille massive, le processus qui arrêta la formation des étoiles s'est probablement produit relativement rapidement."

A gauche, une photo de la galaxie massive et quiescente GS-10578 surnommée "la galaxie de Pablo" photographiée par la caméra NIRCAM du JWST. Au centre, des cartes isophotes réalisées avec le spectroscope à prisme NIRSpec/IFS du JWST dans les raies Hα–[N II], Hβ–[O III], [O III], Hδ et Hγ. L'image (e) montre une absorption du gaz neutre Na I clairement asymétrique à l'endroit où l'émission UV est la plus faible. A droite, quelques profils spectraux dans des raies brillantes. Consultez l'article académique pour plus de détails. Documents F.D'Eugenio et al. (2024)

Grâce au JWST, les chercheurs ont constaté que cette galaxie expulse de grandes quantités de gaz à une vitesse d'environ 1000 km/s, ce qui est suffisamment rapide pour échapper à l'attraction gravitationnelle de la galaxie. Ces vents stellaires rapides sont poussés hors de la galaxie par le champ magnétique entourant le trou noir.

Comme d'autres galaxies possédant un trou noir supermassif en accrétion, la "galaxie de Pablo" est traversée par des vents rapides de gaz chaud, mais ces nappes de gaz sont ténues et peu massives. Grâce à sa grande sensibilité, le JWST a détecté la présence d'une nouvelle composante de vent, qui n'était pas visible avec les télescopes précédents. Ce gaz est plus froid, ce qui signifie qu'il est plus dense et, ce qui est crucial, il n'émet aucune lumière. Ces nébulosités sont donc obscures mais elles sont "visibles" car elles se détachent comme des silouhettes devant le halo lumineux émis par la galaxie située à l'arrière-plan.

Les mesures montrent que la masse de gaz éjectée de la galaxie est supérieure à ce dont la galaxie aurait besoin pour continuer à former de nouvelles étoiles. Autrement dit, le trou noir prive la galaxie de carburant jusqu'à l'épuiser. Résultat programmé : elle finira totalement anémiée.

Bien que des modèles théoriques antérieurs aient prédit que les trous noirs affectaient les galaxies de la sorte, avant les observations du JWST il n'était pas possible de détecter directement cet effet sur les galaxies très lointaines car la résolution des images n'était pas suffisante.

Des modèles antérieurs avaient également prédit que la fin de la formation des étoiles avait un effet violent et turbulent sur les galaxies, détruisant au passage leur forme. Mais les étoiles de cette galaxie en forme de disque se déplacent toujours de manière ordonnée, ce qui suggère que ce n'est pas toujours le cas.

Mais une chose est acquise, l'activité de ce trou noir supermassif a pratiquement interrompu à grande échelle la formation des étoiles et mettra prématurement fin à l'évolution de cette galaxie.

Les chercheurs vont à présent utiliser l'installation radioastronomique d'ALMA pour cibler les composants gazeux les plus froids et les plus sombres de cette galaxie. Ils espèrent découvrir si et où du carburant pour la formation d'étoiles est encore caché dans cette galaxie, et si l'activité du trou noir supermassif influence aussi la région entourant la galaxie.

GN-z11

La galaxie GN-z11 fut découverte en 2016 dans la Grande Ourse. Elle se situe à z = 10.6 soit une distance propre de 13.28 milliards d'années-lumière. Il s'agit d'un jeune AGN âgé de quelques dizaines de millions d'années qui évolue dans un univers âgé de 441 millions d'années, soit ayant à peine 4% de son âge actuel, à la fin des Âges Sombres et au début de l'ère de réionisation.

Le fait que ce trou noir supermassif existe si tôt dans l'univers remet en question les théories sur la formation et la croissance des trous noirs. Selon les auteurs, en principe les trous noirs supermassifs ne devraient atteindre leur taille actuelle qu'après plusieurs milliards d'années. Or le trou noir supermassif de GN-z11 suggère qu'ils pourraient se former d'autres manières : ils pourraient "naître gros" comme le qualifie les auteurs ou absorber de la matière à un rythme cinq fois plus élevé que ce que l'on pensait possible (taux d'accrétion 5 fois supérieur au taux d'Eddington).

Selon Maiolino, "Il est très tôt dans l'univers pour voir un trou noir aussi massif, nous devons donc envisager d'autres façons dont il pourrait se former. Les toutes premières galaxies étaient extrêmement riches en gaz, elles auraient donc été comme un buffet pour les trous noirs."

GN-z11 est une galaxie lointaine exceptionnellement lumineuse. Elle est 25 fois plus petite que la Voie Lactée pour une masse estimée à 1 milliard de masses solaires soit moins de 1% de la Voie Lactée. En revanche, son taux de formation d'étoiles est 8 fois supérieur à celui de la Voie Lactée aujourd'hui (SFR = 24 M par an contre 2.9 M par an).

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2024, l'équipe de Roberto Maiolino du Laboratoire Cavendish de l'Université de Cambridge et de l'Institut Kavli de cosmologie utilisa l'instrument infrarouge NIRSpec du JWST pour étudier en détail la lumière de GN-z11 et mieux comprendre sa nature et ses propriétés.

Selon Maiolino, "Nous avons découvert un gaz extrêmement dense s'écoulant à proximité d'un trou noir supermassif qui accumule du gaz. C'est la première signature claire indiquant que GN-z11 héberge un trou noir qui engloutit de la matière."

A gauche, GN-z11 et son champ général photographiés par le JWST dans le cadre du sondage GOODS. Voici l'image prise quelques années plus tôt par le HST. A droite, la masse du trou noir en fonction du redshift (sur une échelle logarithmique) et de l'âge de l'univers. La masse du trou noir de GN-z11 est représentée par le grand cercle jaune. Documents NASA/ESA/JWST et R.Maiolino et al. (2024).

Grâce au JWST, les auteurs ont également trouvé des éléments chimiques ionisés généralement observés à proximité de trous noirs supermassifs en accrétion. De plus, ils ont découvert que la galaxie expulsait un "vent" très puissant. De tels vents animés d'une grande vitesse sont généralement provoqués par des processus associés à une accrétion importante par des trous noirs supermassifs.

Pour rappel, lorsqu'un trou noir accrète trop de gaz, il émet des rayonnements et un vent ultra-rapide de très haute énergie détectable par les satellites à rayons X. C'est par exemple le cas du trou noir supermassif caché au coeur de la galaxie M101.

Selon les auteurs, ce vent pourrait arrêter le processus de formation des étoiles, épuisant littéralement la galaxie hôte, mais il tuerait également le trou noir lui-même car il couperait sa source d'alimentation.

Selon Hannah Übler du Laboratoire Cavendish et de l'Institut Kavli, coautrice de cet article, "La NIRCam du Webb a révélé une composante étendue, traçant la galaxie hôte, et une source centrale compacte dont les couleurs sont cohérentes avec celles d'un disque d'accrétion entourant un trou noir."

Ensemble, ces indices indiquent que GN-z11 héberge un trou noir supermassif dont la masse est estimée à log (M_BH/M) = 6.2 ±0.3 soit environ 1.5 million de masses solaires. La vitesse d'accrétion du gaz est comprise entre 800 et 1000 km/s. Ce trou noir est dans une phase d'accrétion très active, ce qui explique pourquoi il est si lumineux. A ce jour, il s'agit du trou noir le plus ancien jamais observé et qui est en train de cannibaliser sa galaxie hôte.

En complément, une deuxième équipe, également dirigée par Maiolino, découvrit un amas gazeux d'hélium dans le halo entourant GN-z11. Théories et simulations prédisent justement que dans le halo des galaxies particulièrement massives évoluant à cette époque, il devrait y avoir des poches de gaz vierge qui pourraient s'effondrer et former des amas d'étoiles de Population III.

Selon Maiolino, grâce aux performances et en particulier la sensibilité du JWST en infrarouge, des trous noirs encore plus anciens pourraient être découverts à l'avenir. Avec son équipe, il espère utiliser les futures observations du JWST pour tenter de trouver des "germes" de plus petites trous noirs, ce qui pourrait les aider à démêler les différentes manières dont les trous noirs pourraient se former, qu'ils soient massifs dès leur naissance ou qu'ils se développent rapidement. Les chercheurs vont également scruter GN-z11 en profondeur à la recherche d'éventuelles étoiles de Population III. Leur découverte représenterait une avancée cruciale en astrophysique.

Les 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 AGN 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 AGN 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 injecte de grande quantités d'énergie dans sa galaxie hôte, créant un puissant vent stellaire à l'origine de cette superbulle.

Dans le cas de ces deux AGN, 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.

La radiogalaxie 3C 84

L'accrétion de gaz par le trou noir supermassif d'une galaxie et la rétroaction énergétique qui en résulte par un AGN en accrétion sur le gaz dans et autour d'une galaxie sont deux processus étroitement liés mais concurrents qui jouent un rôle crucial dans l'évolution des galaxies.

Les énormes quantités d'énergie expulsées par les trous noirs supermassifs actifs provoquent un échauffement du gaz environnant et un écoulement de gaz à grandes distances du centre. Ce phénomène rend le trou noir moins actif.

Les observations des amas de galaxies ont montré que les jets de plasma émis par les AGN chauffent le milieu intra-amas, empêchant le refroidissement du gaz de l'amas et ainsi la chute de ce gaz sur la galaxie centrale. D'un autre côté, les flux de gaz sortants entraînés par les jets peuvent se refroidir à mesure qu'ils se propagent dans le milieu intra-amas, conduisant à des filaments de gaz plus froids. L'évolution de ce gaz froid n'est pas clair, mais on imagine qu'il joue un rôle dans l’alimentation du trou noir supermassif central.

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2023 (en PDF), l'équipe de Tom Oosterloo de l'Université de Groningen et membre de l'Institut Néerlandais de Radioastronomie ASTRON a trouvé un nouvel exemple de galaxie dans laquelle la matière éjectée par un trou noir supermassif peut revenir nourrir la galaxie qui l'abrite.

Oosterloo et ses collègues ont étudié la radiogalaxie NGC 1275 alias 3C 84 (Perseus A), en particulier dans la raie du CO(2-1) à l'aide de l'installation radiosubmillimétrique ALMA de l'ESO afin d'étudier le gaz moléculaire froid dans les régions centrales de cette galaxie située à 235 millions d'années-lumière au centre de l'amas de Persée.

Les données montrent que des filaments de gaz froids mesurant 1 kpc résultant du refroidissement induit par le jet de gaz de l'amas s'écoulent vers le centre de la galaxie où ils alimentent le disque d'accrétion circumnucléaire de 0.98 kpc ou ~3200 années-lumière de diamètre du trou noir supermassif. C'est la première fois que le gaz refroidi se déplaçant vers un trou noir supermassif est réellement observé. C'est l'exemple classique de rétroaction ou de recirculation de gaz à proximité d'un trou noir.

Selon les chercheurs, "le gaz refroidi joue un rôle dans l'alimentation de l'AGN et confirme l'existence d'un boucle de rétroaction sur la manière. Un AGN peut donc avoir un impact sur son environnement et sur la manière dont les effets de cet impact maintiennent l'activité de l'AGN."

À l'avenir, les chercheurs prévoient de cartographier le flux d'autres gaz moléculaires.

À la recherche des geysers rouges

Cette rétroaction des trous noirs supermassifs fut déjà 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.

Corrélation entre le spin des SMBH et le taux de formation d'étoiles

Une équipe d'astrophysiciens chinois a mis en évidence une corrélation entre le spin (le moment angulaire spécifique) des trous noirs supermassifs (SMBH) et le taux de formation d'étoiles (SFR) dans leurs galaxies hôtes (cf. Y.Chen et al., 2025). Cette découverte suggère un lien étroit entre les caractéristiques des SMBH centraux et la croissance des galaxies, apportant un nouvel éclairage sur les processus de rétroaction qui influencent l'évolution galactique.

Pour rappel, les galaxies de l'univers local se divisent en deux catégories : les galaxies précoces et les galaxies tardives. Les premières sont des galaxies "bleues", riches en gaz, qui forment activement des étoiles. Les secondes sont des galaxies "rouges", pauvres en gaz, dites quiescentes. Les galaxies précoces, généralement de morphologie spirale ou irrégulière, présentent des SFR élevés, tandis que les secondes, typiquement elliptiques ou lenticulaires, ont des SFR très faibles. Il existe également une troisième catégorie regroupant les galaxies "vertes" (du point de vue de leur indice de couleur, cf. Des galaxies bleues, vertes et rouges) comme illustré ci-dessous à gauche qui sont situées dans la vallée séparant les galaxies "bleues" des galaxies "rouges" dans un diagramme masse/SFR.

Des études antérieures (cf. I.Strateva et al., 2001; M.R. Blanton et al., 2003; E.N. Taylor et al., 2014) ont montré que le SFR des galaxies présente une distribution bimodale correspondant à ces deux groupes de galaxies. En combinant le SFR et la masse stellaire, on obtient des informations sur la vitesse de conversion du gaz en étoiles. Les galaxies formant des étoiles montrent une relation étroite entre ces deux paramètres, tandis que les galaxies quiescentes présentent une relation plus faible, bien qu'il existe d'importants recouvrements entre les deux groupes.

A gauche, échantillon de galaxies massives formant des étoiles. Les points rouges représentent les galaxies précoces et les point bleus les galaxies tardives. Le contour est l'échantillon de Y.-Y. Chang et al. (2015). Les deux lignes pointillées divisent les deux groupes de galaxies. A droite, la qualité de l'ajustement de la distribution d'énergie spectrale (SED) en fonction du SFR par rapport à la masse stellaire. Une valeur faible de Chi carré indique un bon ajustement entre les flux observés d'une galaxie (mesurés à différentes longueurs d'onde, des UV aux IR) et les modèles théoriques basés sur des populations stellaires, de la poussière et du gaz ionisé. Documents Y.Chen et al. (2025) et Y.-Y. Chang et al. (2015) adapté par l'auteur.

L'équipe de Yongyun Chen de la Faculté de physique et d'ingénierie électronique de l'Université normale de Qujing, en Chine, a étudié la relation entre le spin des SMBH et le SFR, ainsi que le paramètre ou taux spécifique du SFR (sSFR) de 14574 AGN de Type 1 à z ≤ 0.35 extraits du sondage SDSS DR7 représentant des galaxies massives formant des étoiles à un taux élevé.

Leurs résultats montrent une corrélation positive entre le spin des SMBH et le SFR des galaxies hôtes. Cette corrélation suggère que le spin des SMBH pourrait jouer un rôle crucial dans la régulation de la formation stellaire, en influençant potentiellement les processus de rétroaction qui chauffent ou expulsent le gaz nécessaire à la formation d'étoiles.

Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre les mécanismes complexes qui lient les SMBH et l'évolution des galaxies. Elle souligne l'importance de considérer non seulement la masse, mais aussi le spin des trous noirs dans les modèles de formation et d'évolution des galaxies. Cette avancée pourrait conduire à une révision des modèles actuels de formation des galaxies et à une meilleure compréhension des processus de rétroaction qui façonnent l'univers.

Henize 2-10

Un autre exemple de rétroaction d'un trou noir supermassif sur le taux de production stellaire est visible dans la galaxie naine Henize 2-10 alias ESO 495-G021 située dans la constellation de la Boussole à une distance propre d'environ 30 millions d'années-lumière. Son étude détaillée fit l'objet d'un article publié dans la revue "Nature" en 2022 (en PDF sur arXiv) par Zachary Schutte de l'Université d'État du Montana et Amy E. Reines.

Henize 2-10 est également classée parmi les prototypes de galaxies HII et les galaxies bleues compactes (BCG). Elle mesure seulement ~21" ou ~3000 années-lumière de diamètre mais abrite un trou noir supermassif de ~4.5 millions de masses solaires (cf. A.M. Ghez et al., 2008), soit aussi massif que celui de la Voie Lactée.

La masse stellaire de la galaxie naine est d'environ 4 milliards de masses solaires pour 160 millions de masses solaires de gaz moléculaire (H₂) et 190 millions de masses solaires de gaz neutre (HI) (cf. Arcetri, 2017). Henize 2-10 brille en rayons X avec une luminosité de ~10³⁸ erg/s qui coïncide avec le coeur d'une radiosource.

Les images prises par le Télescope Spatial Hubble présentées ci-dessous montrent très clairement que le trou noir supermassif central alimente en gaz une pépinière d'étoiles située à 230 années-lumière du trou noir.

Le trou noir de Henize 2-10 souffle du gaz à environ 445 km/s dans la région stellaire, déclenchant la naissance de nouvelles étoiles, d'où son appartenance à la famille des galaxies à sursauts d'étoiles ou Starburst. La façon dont cela se produit est encore incertaine, car normalement les émissions de gaz des trous noirs supermassifs réchauffent tellement les nuages de gaz environnants qu'ils ne se refroidissent pas suffisamment pour former des étoiles. Or Henize 2-10 produit dix fois plus d'étoiles que le Grand Nuage de Magellan avec un SFR = 1.9 M par an alors que les deux galaxies ont une taille similaire (cf. A.E. Reines et al., 2011; Arcetri, 2017).

Photos de la galaxie naine Henize 2-10 prise par le HST. A droite, l'image couvre 25" ou ~3586 a.l. L'encart qui couvre une région de 6"x4" (1"~143 a.l.) comprend une image prise en H-alpha et dans le continuum stellaire. Documents NASA/ESA, A. Pagan (STScI) et NASA/ESA/Z.Schutte et A.Reines (2022) adapté par l'auteur.

Les théories actuelles sur l'origine des trous noirs massifs et supermassifs se divisent en trois catégories :

- 1. Ils se sont formés comme des trous noirs de masse stellaire, à partir de l'implosion d'étoiles, et ont en quelque sorte rassemblé suffisamment de matière pour devenir massifs,

- 2. Des conditions spéciales au début l'Univers ont permis la formation d'étoiles supermassives qui se sont effondrées pour former des "germes" massifs de trous noirs dès le départ,

- 3. Les "germes" de futurs trous noirs massifs sont nés dans des amas d'étoiles denses, où la masse globale de l'amas aurait été suffisante pour les créer d'une manière ou d'une autre à partir d'un effondrement gravitationnel.

Jusqu'à présent, aucune de ces théories ne prédomine. Des galaxies naines comme Henize 2-10 offrent donc des indices potentiels prometteurs, car elles sont restées petites au cours des temps cosmiques et n'ont pas subi la croissance et les fusions de grandes galaxies comme la Voie Lactée. Les astronomes pensent que les trous noirs des galaxies naines pourraient servir d'analogues aux trous noirs de l'Univers primitif, alors qu'ils commençaient juste à se former et à se développer.

N'ayant pas eu l'occasion d'observer la formation des premiers trous noirs, on ignore comment ils se sont formés. L'étude de Henize 2-10 peut donc nous apporter beaucoup d'informations sur l'évolution de tels trous noirs.

L'objet de Hanny 

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-dessous située à 700 millions d'années-lumière dans la constellation du Petit Lion.

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.

Après analyse, comme l'explique le schéma présenté ci-dessus, 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 autre 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 AGN 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 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.

Effet de la rotation des trous noirs supermassifs sur l'activité des quasars

La rotation des trous noirs supermassifs joue un rôle déterminant dans la formation des jets de haute énergie des quasars, les transformant soit en "radio loud" (bruyants) soit en "radio quiet" (calmes ou silencieux). Telle est la conclusion à laquelle sont parvenus Andreas Schulze du NAOJ de Tokyo et ses collèges dans un article publié dans "The Astrophysical Journal" en 2017.

Parmi le 1.35 million de quasars répertorié dans le catalogue MILLIQUAS en 2017, environ 10% sont de puissants émetteurs radio. Ces quasars "radio loud" se manifestent lorsque une fraction de la matière contenue dans le disque d'accrétion ne tombe pas dans le trou noir mais s'échappe dans l'espace sous la forme d'un puissant jet bipolaire. Jusqu'à présent on ignorait pourquoi certains quasars émettaient un jet et pas d'autres.

A gauche, le quasar 3C 273 photographié en couleurs RGB par David Hanon avec un télescope de 600 mm d'ouverture. A droite, un trou noir en rotation prograde (dans le même sens que le disque d'accrétion) reconnaissable à l'absence de cavité interne. Document T.Lombry.

L'équipe de Schulze a voulu savoir si le spin d'un trou noir supermassif, son taux de rotation, avait un effet sur la formation du jet bipolaire. Comme nous l'avons expliqué, nous savions déjà que le taux de spin et le sens de rotation du trou noir par rapport au disque d'accrétion avaient un effet sur la distribution de l'énergie du disque d'accrétion. Mais étant donné qu'on ne peut pas observer directement un trou noir, les chercheurs ont mesuré les émissions des ions d'oxygène [O III] présents autour du trou noir et dans son disque d'accrétion pour déterminer l'efficacité radiative, c'est-à-dire la quantité d'énergie libérée lorsqu'elle tombe dans le trou noir. A partir de cette mesure, les astrophysiciens peuvent calculer le taux de spin au centre du trou noir.

En analysant environ 8000 quasars du catalogue SDSS (Sloan Digital Sky Survey) situés entre 0.3 < z < 0.8 soit jusqu'à quelques milliards d'années-lumière, les chercheurs ont découvert que les émissions [O III] étaient en moyenne 1.5 plus puissante dans les quasars "radio loud" que dans les quasars "radio quiet". Cela signifie que le taux de spin joue un rôle essentiel dans la génération des jets et que les modèles doivent le considérer comme un facteur déterminant et non secondaire.

Contre-exemple d'absence de rétroaction

Si la théorie de la co-évolution des trous noirs supermassifs et des galaxies est valide pour les échantillons de galaxies étudiés où des rétroactions sont évidentes, toutes les observations ne vérifient pas cette interaction entre le flux nucléaire galactique et le taux de formation d'étoiles. On a découvert quelques cas (les recherches sont récentes) qui l'invalident, où il est difficile de comprendre la relation réelle entre l'activité des trous noirs supermassifs et la formation d'étoiles dans les galaxies. Si ces quelques contre-exemples n'invalident pas la théorie, ils imposent au moins de contraindre le processus à certaines conditions. Voici un contre-exemple.

Pas de co-évolution dans WISE1029+0501

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 à l'installation 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.

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, les chercheurs 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 artistique de WISE1029+0501. Document ALMA.

En résumé, au fil du temps de plus en plus d'exemples supportent l'idée d'une co-évolution entre l'activité des trous noirs supermassifs et le taux d'activité stellaire mais certaines observations ne cadrent pas avec cette théorie. 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.

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