L'un des objets les plus puissants de l'univers est un quasar radio – un trou noir tournant pulvérisant des particules très énergiques. Venez trop près de celui-là, et vous seriez aspiré par sa traction gravitationnelle, ou brûleriez-vous de la chaleur intense qui l'entoure. Mais ironiquement, l'étude des trous noirs et leurs jets peut donner aux chercheurs un aperçu des mondes potentiellement habitables dans l'univers.
En tant qu'astrophysicien, j'ai passé deux décennies à modéliser la façon dont les trous noirs tournent, comment cela crée des jets et comment ils affectent l'environnement de l'espace autour d'eux.
Que sont les trous noirs?
Les trous noirs sont des objets massifs et astrophysiques qui utilisent la gravité pour y attirer des objets environnants. Les trous noirs actifs ont une structure en forme de crêpe autour d'eux appelée disque d'accrétion, qui contient des gaz chauds et chargés électriquement.
Le plasma qui compose le disque d'accrétion vient de plus loin dans la galaxie. Lorsque deux galaxies entrent en collision et fusionnent, le gaz est canalisé dans la région centrale de cette fusion. Une partie de ce gaz finit par se rapprocher du trou noir nouvellement fusionné et forme le disque d'accrétion.
Il y a un trou noir supermassif au cœur de chaque galaxie massive.
Les trous noirs et leurs disques peuvent tourner, et quand ils le font, ils traînent l'espace et le temps avec eux – un concept qui est ahurissant et très difficile à saisir conceptuellement. Mais les trous noirs sont importants à étudier car ils produisent d'énormes quantités d'énergie qui peuvent influencer les galaxies.
La énergie d'un trou noir dépend de différents facteurs, tels que la masse du trou noir, qu'il tourne rapidement et si beaucoup de matériau y tombe. Les fusions alimentent les trous noirs les plus énergiques, mais tous les trous noirs ne sont pas alimentés par le gaz à partir d'une fusion. Dans les galaxies en spirale, par exemple, moins de gaz a tendance à tomber au centre, et le trou noir central a tendance à avoir moins d'énergie.
L'une des façons dont ils génèrent de l'énergie est de ce que les scientifiques appellent des «jets» de particules très énergiques. Un trou noir peut tirer des champs magnétiques et des particules énergiques qui l'entourent, puis lorsque le trou noir tourne, les champs magnétiques se tournent en un jet qui pulvérise les particules très énergiques.
Les champs magnétiques se tournent autour du trou noir alors qu'il tourne pour stocker l'énergie – de la même manière lorsque vous tirez et tournez un élastique. Lorsque vous libérez l'élastique, il se précipite vers l'avant. De même, les champs magnétiques libèrent leur énergie en produisant ces jets.
Ces jets peuvent accélérer ou supprimer la formation d'étoiles dans une galaxie, selon la façon dont l'énergie est libérée dans la galaxie hôte du trou noir.
Trous noirs rotatifs
Certains trous noirs tournent cependant dans une direction différente de celle du disque d'accrétion qui les entoure. Ce phénomène est appelé contrerotation, et certaines études mes collègues et moi avons menée suggèrent que c'est une caractéristique clé régissant le comportement de l'un des types d'objets les plus puissants de l'univers: le radio quasar.
Les quasars radio sont la sous-classe des trous noirs qui produisent l'énergie et les jets les plus puissants.
Vous pouvez imaginer le trou noir comme une sphère rotative et le disque d'accrétion comme un disque avec un trou au centre. Le trou noir se trouve dans ce trou central et tourne dans un sens, tandis que le disque d'accrétion tourne dans l'autre sens.
Cette contrerotation oblige le trou noir à tourner et finalement à nouveau dans l'autre sens, appelé corotation. Imaginez un basket qui tourne dans un sens, mais vous continuez à le taper pour tourner dans l'autre. Le taraudage fera tourner le basket. Si vous continuez à taper dans la direction opposée, il finira par tourner et tourner dans l'autre sens. Le disque d'accrétion fait la même chose.
Étant donné que les Jets puisent dans l'énergie de rotation du trou noir, ils ne sont puissants que lorsque le trou noir tourne rapidement. Le passage de la contrerotation à la corotation prend au moins 100 millions d'années. Beaucoup de trous noirs au départ contre-inférieurs prennent des milliards d'années pour faire tourner rapidement des trous noirs en corotation.
Ainsi, ces trous noirs produiraient des jets puissants tôt et plus tard dans leur vie, avec un intermède au milieu où les jets sont soit faibles ou inexistants.
Lorsque le trou noir tourne dans une contrerotation par rapport à son disque d'accrétion, ce mouvement produit des jets forts qui poussent les molécules dans le gaz environnant, ce qui conduit à la formation d'étoiles.
Mais plus tard, en corotation, le jet s'incline. Cette inclinaison fait en sorte que le jet impose directement sur le gaz, le chauffant et inhibant la formation d'étoiles. En plus de cela, le jet pulvérise également les rayons X à travers la galaxie. Les radiographies cosmiques sont mauvaises pour la vie car elles peuvent nuire aux tissus organiques.
Pour que la vie prospère, il a probablement besoin d'une planète avec un écosystème habitable, et les nuages de gaz chaud saturé de radiographies ne contiennent pas de telles planètes. Ainsi, les astronomes peuvent plutôt rechercher des galaxies sans un jet incliné provenant de son trou noir. Cette idée est essentielle pour comprendre où l'intelligence aurait pu être émergé et mûri dans l'univers.
Trous noirs comme guide
Au début de 2022, j'avais construit un modèle de trou noir à utiliser comme guide. Il pourrait souligner les environnements avec le bon type de trous noirs pour produire le plus grand nombre de planètes sans les pulvériser de rayons X. La vie dans de tels environnements pourrait émerger à son plein potentiel.
Où sont de telles conditions? La réponse est des environnements de basse densité où les galaxies avaient fusionné il y a environ 11 milliards d'années.
Ces environnements avaient des trous noirs dont les jets puissants ont amélioré le taux de formation d'étoiles, mais ils n'ont jamais connu un accès de jets inclinés dans la corotation. En bref, mon modèle a suggéré que théoriquement, la civilisation extraterrestre la plus avancée aurait probablement émergé sur la scène cosmique loin et il y a des milliards d'années.
