Le quasar J0742+2704 (au centre) est accompagné d’une petite galaxie compagne juste à droite, et se situe entre le quasar et une galaxie annulaire. Crédit : NASA, ESA, Kristina Nyland (Laboratoire de recherche de l’U.S. Naval). Traitement d’image : Joseph DePasquale (STScI)
Les jets émis par les trous noirs supermassifs figurent parmi les plus grands spectacles de l’univers, mais aussi parmi ses plus grands mystères. Ces faisceaux de matière ionisée jaillissent des noyaux galactiques à des vitesses approchant celle de la lumière. La manière dont ces trous noirs exploitent et concentrent cette énergie reste l’objet d’intenses discussions.
Récemment, les astronomes ont réussi à identifier des galaxies dont les trous noirs centraux viennent juste d’être activés, dans le but de découvrir des indices laissés par leurs déclenchements. Lors de la réunion d’hiver de la Société Américaine d’Astronomie (AAS) qui s’est tenue à National Harbor, dans le Maryland, des chercheurs ont présenté un exemple fascinant : un trou noir supermassif émettant un jet depuis une galaxie affichant une structure spirale visible.
Ce phénomène, désigné sous le nom de J0742+2704, est classé comme un quasar, un type de galaxie active dont les jets lumineux éclipsent le reste de la galaxie, lui conférant une apparence de point lumineux dans les images. (Le terme “quasar” provient de l’appellation descriptive “objet quasi-stellaire”). Les galaxies présentant de tels jets puissants sont généralement vieilles, elliptiques et sans caractéristiques, ayant perdu toute leur structure spirale juvénile à cause de fusions tumultueuses avec d’autres galaxies. Cependant, lorsque l’astronome Olivia Achenbach a analysé les données du télescope spatial Hubble, elle a clairement révélé des bras spiraux s’enroulant autour de J0742+2704 — une preuve qu’elle n’avait pas encore subi le tumulte gravitationnel d’une fusion majeure.
« Au début, je pensais avoir complètement fait une erreur », a déclaré Achenbach, élève-officier à l’Académie navale des États-Unis, lors d’une conférence de presse le 13 janvier. Elle a bénéficié des conseils de l’astronome Kristina Nyland du Laboratoire de recherche de l’U.S. Naval. « Nous avions tous deux prédit qu’avec un aussi grand trou noir supermassif au centre, nous verrions une galaxie elliptique. »
Cette découverte s’inscrit dans un débat continu sur la façon dont les trous noirs supermassifs et leurs galaxies hôtes croissent, évoluent et interagissent. La théorie dominante — selon laquelle les trous noirs commencent à se nourrir et que leurs jets s’activent suite à des fusions galactiques — est connue sous le nom de modèle de fusion majeure. « Avoir un résultat aussi clair et indiscutable qui semble contredire ce modèle de fusion majeure est extrêmement excitant », a déclaré Rachel Cionitti, astronomes et étudiante diplômée à l’Université du Missouri à Kansas City, qui n’a pas participé à cette étude.
Une danse cosmique
Selon le modèle de la fusion majeure, la plupart des galaxies commencent avec des formes spirales, mais finissent par les perdre au fur et à mesure de leur croissance et de leurs fusions. Une telle fusion déclenche la formation d’étoiles, mais transforme également les galaxies en grandes elliptiques. Ce processus entraîne également des étoiles, du gaz et de la poussière vers les trous noirs centraux, qui continuent à croître et à fusionner. Lorsque les trous noirs commencent à se nourrir, ils provoquent alors des activités telles que des jets et une émission radio brillante juste à l’extérieur de leurs horizons d’événements.
Le cas de J0742+2704 complique ce tableau. Il possède un grand trou noir central dont la masse équivaut à 400 millions de soleils. Cependant, ses jets ne se sont activés que récemment — ils n’étaient pas présents lors d’observations similaires il y a 20 ans. Les bras spiraux révélés par Achenbach indiquent clairement qu’il n’a pas traversé de fusion majeure. « Aucune galaxie émergeant d’une fusion ne serait undisturbed spirale », déclare Cionitti.
Les jets pourraient toutefois être déclenchés par des interactions avec une galaxie compagne plus petite. Dans l’image du Hubble, une galaxie en forme d’anneau apparaît à droite de J0742+2704, avec la petite compagne située entre les deux. Il existe également des indices suggérant une éventuelle traînée de marée — un flux d’étoiles étant arraché alors que J0742+2704 et sa compagne interagissent.
Cionitti pense également que les interactions sont essentielles pour activer les jets. Selon elle, la « petite galaxie » est probablement en train de « perturber le gaz » dans la galaxie plus grande, le forçant à perdre de l’élan et à tomber vers le centre. Malgré cela, elle note qu’il reste encore de nombreuses questions ouvertes concernant ce mécanisme.
Pour renforcer cette hypothèse, Achenbach évoque des observations réalisées avec le réseau de télescopes radio Low-Frequency Array (LOFAR) qui s’étend sur l’Europe. Ces observations ont révélé des preuves d’une activité de jet antérieure — de grandes lobes d’émission radio de part et d’autre de la galaxie. Ces émissions pourraient être des résidus de jets antérieurs ayant interagi avec de la matière intergalactique ; ces jets s’éteignaient finalement avant de se rallumer au cours des deux dernières décennies.
Le schéma proposé par Achenbach et Nyland est que les jets de J0742+2704 s’activent à plusieurs reprises au fur et à mesure que sa compagne orbite autour de ce voisin plus grand — ce qu’Achenbach appelle une « danse cosmique » — sans qu’une fusion majeure ne soit nécessaire.
Questions sur les grandes fusions
Cionitti a présenté un travail lors de la réunion de l’AAS qui remet également en question le modèle de la fusion majeure.
Lorsqu’une galaxie commence à fusionner, elle déclenche des vagues de formation d’étoiles. Ces jeunes étoiles chaudes émettent principalement une lumière bleue, mais le modèle de la fusion majeure suggère qu’elles sont initialement obscurcies par la poussière soulevée. Observée à travers ce voile poussiéreux, la galaxie semble plus rouge. Cependant, une fois que les jets d’une galaxie s’activent, les vents provenant du noyau galactique éliminent cette poussière, et la galaxie devient progressivement plus bleue à mesure que davantage de lumière des étoiles nouvellement nées se révèle.
Cependant, Cionitti et ses collègues ont découvert que pour des galaxies à la même distance, celles qui brillent en lumière rouge tendent à être plus massives que celles qui brillent en lumière bleue. C’est l’inverse des attentes si les galaxies évoluent d’une teinte rouge à une teinte bleue au cours d’une fusion.
En définitive, Cionitti indique qu’il existe « une immense confusion » parmi les astronomes tentant de déterminer comment les galaxies actives et leurs trous centraux coévoluent (ou non). Pour elle, le travail d’Achenbach est d’un grand intérêt car il montre qu’il existe plusieurs « voies évolutives, et qu’il n’y a pas qu’un seul chemin » pour comprendre comment les trous noirs centraux des galaxies deviennent actifs — ce que les astronomes appellent un noyau galactique actif (AGN).
« Je pense simplement qu’il y a beaucoup plus de choses qui se passent sous l’égide des AGN-quasars que nous ne le savons actuellement », déclare Cionitti.
Bon à savoir
- Les quasars sont une classe de galaxies qui brillent intensément, souvent plus que leur galaxie hôte.
- Ils se forment généralement lorsqu’un trou noir supermassif est actif, émettant des jets et de la radiation.
- La recherche sur les interactions entre galaxies aide à mieux comprendre les processus de formation et d’évolution galactiques.
En somme, cette découverte soulève des questions passionnantes quant à la dynamique des galaxies et des trous noirs. Cela nous pousse à réfléchir sur la complexité de l’univers et sur les mécanismes encore non découverts qui régissent ces interactions cosmiques. Quelles autres surprises l’univers nous réserve-t-il au-delà des modèles établis ?
Sandrine, tes mots dansent comme des couleurs sur une toile. Ils éveillent en moi une réflexion profonde sur l’instant présent. Merci pour ce partage vibrant.