Les trous noirs : pas des destructeurs mais des protecteurs

Une étude a révélé que les galaxies possèdent un mécanisme de régulation similaire à un cœur et à des poumons, qui contrôle leur croissance en limitant l'absorption de gaz.

Ce mécanisme, impliquant un supermassif trou noir et ses émissions de jets empêchent les galaxies de s'étendre trop rapidement, assurant ainsi leur longévité et prévenant un vieillissement prématuré en galaxies « zombies ».

Les galaxies évitent une mort prématurée parce qu’elles ont un « cœur et des poumons » qui régulent efficacement leur « respiration » et les empêchent de grandir de manière incontrôlable, suggère une nouvelle étude.

Si ce n’était pas le cas, l’Univers aurait vieilli beaucoup plus vite et tout ce que nous verrions aujourd’hui, ce sont d’énormes galaxies « zombies » regorgeant d’étoiles mortes ou mourantes.

C'est ce que révèle une nouvelle étude publiée dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society, qui enquête sur l’un des grands mystères de l’Univers : pourquoi les galaxies ne sont pas aussi grandes que les astronomes le pensent.

Quelque chose semble étouffer leur énorme potentiel en limitant la quantité de gaz qu'ils absorbent pour se convertir en étoiles, ce qui signifie qu'au lieu de croître sans fin, quelque chose à l'intérieur résiste à ce que l'on pensait être l'attraction inévitable de la gravité.

Ce clip montre un jet supersonique générant une « action de soufflet », en recevant des impulsions de son « cœur » de trou noir, ce qui le fait se dilater et se contracter « comme un poumon rempli d'air », « expirant de l'air chaud » (ondulations de pression) dans son environnement. Les axes du graphique sont des échelles de distance adimensionnelles. Crédit : C Richards/MD Smith/Université du Kent

Analogie du cœur et des poumons dans les galaxies

Aujourd’hui, des astrophysiciens de l’Université du Kent pensent avoir découvert le secret. Ils suggèrent que les galaxies pourraient en fait contrôler la vitesse à laquelle elles grandissent grâce à leur « respiration ».

Dans leur analogie, les chercheurs ont comparé le trou noir supermassif au centre d'une galaxie à son cœur et les deux jets supersoniques bipolaires de gaz et de rayonnement qu'ils émettent aux voies respiratoires alimentant une paire de poumons.

Les impulsions provenant du trou noir — ou « cœur » — peuvent entraîner des fronts de choc oscillant d’avant en arrière le long des deux axes du jet, un peu comme le diaphragme thoracique du corps humain se déplace de haut en bas à l’intérieur d’une cavité thoracique pour gonfler et dégonfler les deux poumons.

Cela peut entraîner une transmission massive de l'énergie du jet dans le milieu environnant, tout comme nous expirons de l'air chaud, ce qui ralentit l'accrétion et la croissance du gaz de la galaxie.

Deux exemples différents de simulation d'un côté de jets bipolaires symétriques, où les ondulations de pression se propagent à travers le milieu extragalactique. Les variations de pression sont présentées ici à l'aide d'une échelle de couleurs rouge-température (sombre = basse pression, clair = haute pression). Chaque jet entre par la gauche avec une pression qui chute rapidement lorsqu'il pousse contre le milieu ambiant. Les axes sont des échelles de distance adimensionnelles. Crédit : C Richards/MD Smith/Université du Kent

Perspectives de simulation et dynamique galactique

L'étudiant au doctorat Carl Richards a élaboré cette théorie après avoir créé de nouvelles simulations jamais testées auparavant pour étudier le rôle que les jets supersoniques pourraient jouer dans l'inhibition de la croissance des galaxies.

Il s’agissait de permettre au « cœur » du trou noir de pulser et aux jets d’être à haute pression – un peu comme une forme d’hypertension, si l’on étend la comparaison au corps humain.

Cela a fait que les jets « agissaient comme des soufflets », a-t-il expliqué, en envoyant des ondes sonores « comme des ondulations à la surface d’un étang ».

Ces phénomènes sont similaires à l’équivalent terrestre des ondes sonores et de choc produites lors de l’ouverture d’une bouteille de champagne, du crissement d’une voiture, du pot d’échappement d’une fusée ou de la perforation d’enceintes pressurisées.

Les ondes sonores (ondulations) dans le gaz chaud qui remplit l'amas de Persée sont représentées dans cette vue d'artiste. On pense qu'elles ont été générées par des cavités soufflées par des jets provenant d'un trou noir supermassif (tache blanche brillante) au centre de la galaxie. Crédit : NASA/NASA/CXC/M.Weiss

« Nous avons réalisé qu'il faudrait un moyen pour que les jets puissent soutenir le corps – le gaz ambiant entourant la galaxie – et c'est ce que nous avons découvert dans nos simulations informatiques », a déclaré Richards.

« Le comportement inattendu a été révélé lorsque nous avons analysé les simulations informatiques de haute pression et laissé le cœur pulser.

« Cela a envoyé un flux d’impulsions dans les jets à haute pression, les faisant changer de forme sous l’effet de l’action de soufflet des fronts de choc oscillants des jets. »

Ces jets surpressés se sont effectivement dilatés « comme des poumons remplis d’air », ont déclaré les chercheurs.

Ce faisant, ils ont transmis des ondes sonores dans la galaxie environnante sous la forme d’une série d’ondulations de pression, qui se sont ensuite avérées freiner la croissance de la galaxie.

Conclusion et perspectives d'avenir

Il existe des preuves de l'existence d'ondulations dans les milieux extragalactiques, comme celles observées dans l'amas de galaxies voisin de Persée, associées à d'énormes bulles de gaz chaud, qui sont considérées comme des exemples d'ondes sonores.

On pensait déjà que ces ondulations étaient responsables du maintien de l’environnement ambiant d’une galaxie, bien qu’il manquait un mécanisme pour les générer.

Les simulations cosmologiques conventionnelles sont donc incapables de rendre compte des flux de gaz dans les galaxies, ce qui conduit à l'un des grands mystères de l'Univers. Il s'appuie donc sur le trou noir hautement actif au cœur d'une galaxie pour fournir une certaine résistance.

« Ce n’est cependant pas facile, et nous avons des contraintes sur le type de pulsation, la taille du trou noir et la qualité des poumons », a déclaré le co-auteur, le professeur Michael Smith.

« Respirer trop vite ou trop lentement ne fournira pas les tremblements vitaux nécessaires pour maintenir le milieu galactique et, en même temps, pour alimenter le cœur en carburant. »

Les chercheurs ont conclu que la durée de vie d'une galaxie peut être prolongée à l'aide de son « cœur et de ses poumons », où le moteur du trou noir supermassif situé en son cœur contribue à inhiber la croissance en limitant la quantité de gaz s'effondrant en étoiles dès un stade précoce.

C’est ce qui, disent-ils, a contribué à créer les galaxies que nous voyons aujourd’hui.

Sans un tel mécanisme, les galaxies auraient déjà épuisé leur carburant et se seraient éteintes, comme c’est le cas pour certaines d’entre elles sous la forme de galaxies « rouges et mortes » ou « zombies ».