Au centre de la plupart des grandes galaxies, y compris notre propre voie lactée, se trouve un trou noir supermassif. Le gaz interstellaire tombe périodiquement sur l'orbite de ces puits sans fond, commandant le trou noir en mode galactique actif (AGN), dynamichant un rayonnement à haute énergie à travers la galaxie.
Ce n'est pas un environnement dans lequel vous vous attendez à ce qu'une plante ou un animal prospère. Mais dans une étude récente surprenante dans Le journal astrophysiqueles chercheurs de Dartmouth et de l'Université d'Exeter montrent que le rayonnement AGN peut avoir un effet paradoxalement stimulant sur la vie. Plutôt que de condamner une espèce à l'oubli, elle peut aider à assurer son succès.
L'étude peut être la première à mesurer concrétisé, via des simulations informatiques, comment le rayonnement ultraviolet d'un AGN peut transformer l'atmosphère d'une planète pour aider ou entraver la durée de vie. Conformément aux études examinant les effets du rayonnement solaire, les chercheurs ont constaté que les avantages – ou nuire – dépendent de la proximité de la planète à la source du rayonnement et si la vie a déjà acquis un orteil.
« Une fois que la vie existe et a oxygéné l'atmosphère, le rayonnement devient moins dévastateur et peut-être même une bonne chose », explique Kendall Sippy, l'auteur principal de l'étude. « Une fois ce pont croisé, la planète devient plus résiliente au rayonnement UV et protégée contre les événements d'extinction potentiels. »
Les chercheurs ont simulé les effets du rayonnement AGN non seulement sur la Terre, mais aussi des planètes en forme de terre de composition atmosphérique variable. Si l'oxygène était déjà présent, ont-ils constaté que le rayonnement déclencherait des réactions chimiques, provoquant une croissance de la couche d'ozone protectrice de la planète. Plus l'atmosphère est oxygénée, plus l'effet est grand.
La lumière à haute énergie réagit facilement avec l'oxygène, divisant la molécule en atomes uniques qui se recombinaient pour former de l'ozone. Comme o3 s'accumule dans la haute atmosphère, il détourne de plus en plus de rayonnement dangereux dans l'espace. La Terre doit son climat favorable à un processus similaire qui s'est produit il y a environ deux milliards d'années avec les premiers microbes producteurs d'oxygène.
Le rayonnement du soleil a aidé la vie naissante à l'oxygénate de la vie et à ajouter de l'ozone à l'atmosphère. À mesure que la couverture de protection de notre planète s'épaississait, elle permettait à la vie de s'épanouir, produisant plus d'oxygène et encore plus d'ozone. Selon l'hypothèse de Gaia, ces boucles de rétroaction bénéfiques ont permis à la vie complexe d'émerger.
« Si la vie peut rapidement oxygéner l'atmosphère d'une planète, l'ozone peut aider à réguler l'atmosphère pour favoriser les conditions dont la vie doit développer », a déclaré le co-auteur de l'étude, Jake Eager-Nash, qui est actuellement postdoctoral à l'Université de Victoria. « Sans mécanisme de rétroaction régulant le climat, la vie peut s'éteindre rapidement. »
La Terre, dans la vraie vie, n'est pas assez proche de son trou noir résident, Sagittaire A, pour ressentir ses effets, même en mode AGN. Mais les chercheurs voulaient voir ce qui pouvait arriver si la Terre était beaucoup plus proche d'un AGN hypothétique, et donc exposé à des radiations des milliards de fois plus.
En recréant l'atmosphère sans oxygène de la Terre dans l'archéen, ils ont constaté que le rayonnement empêcherait la vie de se développer. Mais à mesure que les niveaux d'oxygène augmentaient, se rapprochant des niveaux modernes, la couche d'ozone de la Terre grandirait et protégeait le sol en dessous du rayonnement dangereux.
« Avec des niveaux d'oxygène modernes, cela prendrait quelques jours, ce qui pourrait signifier que la vie pourrait survivre », explique Eager-Nash. « Nous avons été surpris par la rapidité avec laquelle les niveaux d'ozone répondraient. »
Quand ils ont regardé ce qui pourrait arriver sur une planète en forme de terre dans une galaxie plus ancienne, avec des étoiles regroupées plus près de son AGN, ils ont trouvé une image très différente. Dans une galaxie « Red Nugget Relic » comme NGC 1277, les effets seraient mortels. Les étoiles dans des galaxies plus massives avec une forme elliptique, comme Messier-87, ou notre voie laiteuse en spirale, se répartissent davantage, et donc plus loin du rayonnement dangereux d'un AGN.
Les étoiles s'alignent à bord de la reine Mary 2
Sippy est venu à Dartmouth avec un vif intérêt pour les trous noirs et, à la fin du deuxième mandat, avait rejoint le laboratoire de Ryan Hickox, professeur et président du Département de physique et d'astronomie. Plus tard, tout en débattant d'un projet principal potentiel sur le rayonnement AGN, le destin est intervenu.
Se dirigeant en Angleterre pour un congé sabbatique en 2023, Hickox a réservé un voyage sur la reine Mary 2 afin qu'il puisse amener son chien, Benjamin. À bord du navire, il a pu discuter avec un astrophysicien d'Exeter, Nathan Mayne, qui était conférencier invité sur le navire. Ils ont rapidement réalisé qu'ils avaient un intérêt mutuel pour le rayonnement et que le logiciel Paleo Mayne avait utilisé pour modéliser le rayonnement solaire sur des atmosphères d'exoplanet pouvait être appliquée aux rayons les plus puissants d'un AGN.
La rencontre ouvrira la voie à Sippy pour travailler avec un Nash Eager, puis un doctorat. Étudiant dans le laboratoire de Mayne. En utilisant le langage de programmation Julia, ils entrent dans leur modèle les concentrations initiales d'oxygène et d'autres gaz atmosphériques, sur leur planète en forme de terre.
« Il modélise toutes les réactions chimiques qui pourraient avoir lieu », explique Sippy. « Il renvoie des parcelles de la quantité de rayonnement frappe la surface à différentes longueurs d'onde et de la concentration de chaque gaz dans votre atmosphère de modèle, à différents moments dans le temps. »
La boucle de rétroaction qu'ils ont découverte dans une atmosphère oxygénée était inattendue.
« Nos collaborateurs ne fonctionnent pas sur le rayonnement des trous noirs, donc ils ne connaissaient pas le spectre d'un trou noir et à quel point un AGN pourrait être plus lumineux qu'une étoile selon la proximité que vous y êtes », explique Hickox.
Sans le kismet qui a rassemblé les deux laboratoires, le projet n'aurait peut-être jamais eu lieu.
« C'est le genre d'informations que vous ne pouvez vraiment obtenir qu'en combinant différents ensembles d'expertise », ajoute-t-il.
Après avoir obtenu son diplôme de Dartmouth, Sippy est parti pour le Middlebury College pour travailler en tant que chercheur post-baccalauréat dans le laboratoire de McKinley Brumback, Guarini Ph.D. Brumback avait travaillé dans le laboratoire de Hickox en tant que doctorat. Étudiant et est maintenant professeur adjoint de physique à Middlebury étudiant des binaires à rayons X à neutrons à neutrons.
Elle a apporté une perspective unique au projet. Dans les binaires aux rayons X qu'elle étudie, une étoile à neutrons tire une matière d'une étoile normale, ce qui fait chauffer le matériau en chute et émettre des rayons X.
Bien qu'un AGN puisse prendre jusqu'à des millions d'années pour basculer entre les états actifs et inactifs, les binaires aux rayons X peuvent changer en quelques jours à des mois. « Beaucoup de la même physique qui s'applique aux AGN s'applique aux binaires aux rayons X, mais les échelles de temps sont beaucoup plus rapides que pour un AGN », dit-elle.
Brumback a contribué à l'analyse AGN et a servi de « lecteur légèrement supprimé » pour s'assurer que le papier était accessible aux non-experts, dit-elle.
« Grâce à l'excellente écriture de Kendall, c'était certainement le cas. »
