À environ un milliard d’années-lumière de la Terre, une galaxie elliptique géante possède en son centre un recycleur très enthousiaste ! En effet, le trou noir supermassif situé en son centre fait littéralement exploser le gaz moléculaire froid, qui retombe ensuite dans le trou noir et alimente à nouveau ce cycle. Un tel phénomène est appelé « fontaine ». Il s’agit d’un moyen galactique de recycler le matériau qui forme une étoile. Longtemps théorisé, ce phénomène n’avait encore jamais été observé dans son intégralité.

Les astronomes ont découvert cette scène étonnante dans une galaxie située au cœur d’un amas de galaxies appelé Abell 2597. « C’est peut-être le premier système dans lequel nous trouvons des preuves évidentes d’un apport de gaz moléculaire froid vers le trou noir, et d’un flux de jets sortant du trou noir. Le trou noir supermassif situé au centre de cette galaxie agit comme une pompe mécanique dans une fontaine », a expliqué Grant Tremblay, du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian.

Bien entendu, un trou noir ne crache pas de la matière. Lorsqu’un trou noir actif « se nourrit », le matériau forme un disque d’accrétion tourbillonnant qui y tombe. Cependant, tout ce matériau du disque d’accrétion, n’est pas totalement englouti par le trou noir.

En effet, une partie de ce dernier est canalisé vers les pôles (peut-être via des lignes de champ magnétique), un peu comme des particules chargées de vent solaire se propageant le long des lignes de champ magnétique terrestre, pour produire des aurores.

Mais la dynamique d’un trou noir est bien différente. Au lieu de produire des aurores, les trous noirs produisent de puissants jets de plasma, se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière dans le vide (jets relativistes), et ces derniers sont projetés hors de leur région polaire.

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Dans le cas du trou noir supermassif alimentant la plus brillante galaxie d’Abell 2597 (BCG), ses jets projettent des gaz moléculaires froids à 9 kiloparsecs (soit à 30’000 années-lumière) dans l’espace. Ce gaz froid retombe ensuite dans le réservoir qui alimente le disque d’accrétion du trou noir — une vaste nébuleuse filamenteuse, d’une masse équivalente à environ 3 milliards de soleils, couvrant 30 kiloparsecs (soit 100’000 années-lumière) dans le centre de la galaxie.

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Cette image composite montre le gaz froid retombant dans le trou noir (en jaune) et le gaz chaud sortant (en rouge). Crédits : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Tremblay et al.; NRAO/AUI/NSF, B. Saxton; NASA/Chandra; ESO/VLT

Tremblay et son équipe ont observé cette retombée pour la première fois en 2016, en utilisant le grand réseau d’antennes millimétrique/submillimétrique (ALMA) de l’Atacama. Ils ont alors observé des molécules de monoxyde de carbone, dont certaines atteignaient des températures aussi basses que 13 à 23 Kelvin (-260 à -250 degrés Celsius), attirées par le trou noir.

Depuis lors, l’équipe a assemblé les données collectées grâce à ALMA avec des observations antérieures effectuées avec l’instrument MUSE, sur le très grand télescope de l’ESO. Ce dernier a permis de voir le gaz plus chaud, projeté dans l’espace par des jets du trou noir.

Des observations de suivi effectuées à l’aide de l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA ont confirmé cette connexion, ce qui constitue la première preuve que les flux sortants et entrants font partie du même processus. « Ce gaz très, très chaud, peut rapidement refroidir, condenser et se précipiter de la même manière que l’air chaud et humide de l’atmosphère terrestre pour engendrer des nuages de pluie et des précipitations. Les nuages nouvellement condensés retombent ensuite sur la galaxie, alimentant de ce fait la formation de ses étoiles et également son trou noir supermassif central », expliquait Tremblay en 2016.

Selon les chercheurs, bien que ce résultat découle de la première fois que ces deux parties du processus ont été assimilés, il pourrait bien s’agir d’un élément assez commun de l’évolution galactique. Cette découverte pourrait nous aider à comprendre comment se forment les étoiles dans l’univers, nous en apprendre davantage sur la manière dont les trous noirs se nourrissent, ainsi que sur le cycle de vie des galaxies.

Sources : ESO, Astrophysical Journal, arXiv

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