Les disques circumnucléaires sont des anneaux de gaz entourant les trous noirs, constitués par l’accrétion de la matière alentour. Les modèles actuels prédisent que cette matière spirale en tombant vers les trous noirs pour former des anneaux rigides unidirectionnels. Mais de récentes observations effectuées grâce au radiotélescope ALMA montrent qu’en réalité, loin d’être rigides, ces anneaux de gaz se comportent comme des fontaines dynamiques.

Sur la base de simulations informatiques et de nouvelles observations issues d’ALMA (Atmama Large Millimeter/Submilleter Array), les chercheurs ont découvert que les anneaux de gaz (disques circumnucléaires) entourant les trous noirs supermassifs actifs ne sont pas de simples formes de donut. Au lieu de cela, le gaz expulsé du centre interagit avec un gaz infiltrant pour créer un modèle de circulation dynamique, similaire à une fontaine.

La plupart des galaxies hébergent, en leur centre, un trou noir supermassif des millions ou des milliards de fois plus massifs que le Soleil. Certains de ces trous noirs sont extrêmement actifs. Mais les astronomes ont estimé qu’au lieu de tomber directement dans le trou noir, la matière s’accumule autour de ce dernier, formant une structure en forme d’anneau. Les résultats ont été publiés dans la revue The Astrophysical Journal.

simulation modele trou noir

Image du modèle dynamique multi-phase toroïdal simulé par l’équipe de recherche, et montrant le mouvement du gaz ressemblant à celui d’une fontaine. Crédits : NAOJ

Takuma Izumi, chercheur à l’Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ), a dirigé une équipe d’astronomes qui a utilisé ALMA pour observer le trou noir supermassif de la galaxie du Compas, situé à 14 millions d’années-lumière de la Terre, en direction de la constellation du Compas. L’équipe a ensuite comparé ses observations à une simulation informatique de la chute de gaz en direction d’un trou noir réalisée avec le supercalculateur Cray XC30 ATERUI, opéré par le NAOJ.

alma gaz moleculaire atomique

Image de la galaxie du Compas montrant la distribution du gaz moléculaire de monoxyde de carbone (orange) et du gaz atomique de carbone (cyan) autour du trou noir central. Crédits : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Izumi et al.

Cette comparaison a révélé que le « donut » présomptif n’est en réalité pas une structure rigide, mais plutôt une collection complexe de composants gazeux hautement dynamiques. Premièrement, le gaz moléculaire froid tombant vers le trou noir forme un disque près du plan de rotation. À l’approche du trou noir, ce gaz est chauffé jusqu’à ce que les molécules se décomposent en atomes et en ions.

Sur le même sujet : Des astronomes ont découvert un trou noir supermassif se comportant comme une « fontaine géante »

Certains de ces atomes sont ensuite expulsés au-dessus et au-dessous du disque, plutôt que d’être absorbés par le trou noir. Ce gaz atomique chaud retombe sur le disque, créant une structure tridimensionnelle turbulente. Ces trois composants circulent continuellement, à la manière d’une fontaine dans un parc.

composantes gazeuses trou noir

Illustration montrant la structure en anneau formée par les trois composantes gazeuses : 1) disque de gaz moléculaire dense et froid tombant, 2) flux sortant de gaz atomique chaud et 3) gaz retournant dans le disque. L’ensemble se comporte comme une fontaine. Crédits : NAOJ

« Les modèles théoriques précédents établissaient des hypothèses a priori sur les donuts rigides » explique Keiichi Wada, cosmologiste à l’Université de Kagoshima au Japon. « Plutôt que de partir d’hypothèses, notre simulation s’est basée sur des équations physiques et a montré pour la première fois que la circulation du gaz forme naturellement un donut. Notre simulation peut également expliquer diverses caractéristiques d’observation du système ».

« En étudiant le mouvement et la distribution du gaz moléculaire froid et du gaz atomique chaud avec ALMA, nous avons démontré l’origine de la structure dite en anneau entourant les trous noirs actifs. Sur la base de cette découverte, nous devons réécrire les manuels d’astronomie » conclut Izumi.

Sources : The Astrophysical Journal

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