Cette illustration offre un aperçu réaliste du noyau de Messier 77. À l’instar des autres noyaux actifs de galaxie, les régions centrales de Messier 77 sont alimentées par un trou noir entouré d’un mince disque d’accrétion, en périphérie duquel se trouve un volumineux anneau ou tore de gaz et de poussière. Dans le cas de Messier 77, cet anneau dense masque totalement la présence du trou noir supermassif. Ce noyau actif de galaxie présente vraisemblablement des jets, ainsi que des vents de poussière, qui s'échappent de la région située en périphérie du trou noir, perpendiculairement au disque d'accrétion qui l'entoure. © ESO, M. Kornmesser et L. Calçada
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Des trous noirs se cachaient bien derrière tous les types de noyaux actifs de galaxies

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[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Françoise Combes  2021 c'est l'année des 20 ans de Futura ! À cette grande occasion, nous avons demandé à nos parrains de s'exprimer sur le sujet... Françoise Combes s'est notamment prêtée à l'exercice et nous livre son analyse d'astrophysicienne sur le passé, mais aussi sur les 20 prochaines années. 

Des astrophysiciens ayant utilisé l'interféromètre du Very Large Telescope de l'Observatoire européen austral (le VLTI de l'ESO) ont observé un disque de poussière entourant le trou noir supermassif au cœur de la galaxie Messier 77, dont des caractéristiques sont bien celles attendues depuis une trentaine d'années pour les noyaux actifs de galaxies. La découverte consolide ainsi l'astrophysique des trous noirs décrite par ce que l'on appelle le « modèle unifié » des AGN.

L'avalanche de confirmations de la théorie des trous noirs continue avec un communiqué de l'ESO qui accompagne une publication dans le célèbre journal Nature que l'on peut consulter en accès libre sur arXiv. En 2015, nous avions fêté le centenaire de la découverte finale par Einstein de sa théorie de la relativité générale et la même année étaient détectées sur Terre pour la première fois les ondes gravitationnelles venant d'une autre prédiction spectaculaire de sa théorie relativiste de la gravitation, les trous noirs. En 2019, ce fut la divulgation de la première image d'un trou noir prise avec l'Event Horizon Telescope, celle du trou noir au cœur de la galaxie M87.

Depuis des décennies, on pense que ces astres relativistes sous leur forme supermassive, c'est-à-dire contenant au moins un million de masses solaires et parfois plusieurs milliards, sont à l'origine des noyaux actifs de galaxies (AGN ou active galactic nucleus, en anglais) mis en évidence notamment par les radioastronomes, mais aussi par les astronomes sans que ces AGN soient forcément des sources radio. Ces AGN se caractérisent par des phénomènes particulièrement énergétiques sous une forme ou sous une autre, par exemple des jets de matière relativistes sur des milliers d'années-lumière, et c'est une découverte qui les concerne qui arrive aujourd'hui sur le devant de la scène grâce à des observations faites avec l'interféromètre du Very Large Telescope de l'Observatoire européen austral (le VLTI de l'ESO).

Les noyaux actifs de galaxies (AGN) sont des sources extrêmement énergétiques alimentées par des trous noirs supermassifs. Cette courte vidéo donne un aperçu de ces objets particuliers au travers de la récente découverte d’un AGN au centre de la galaxie Messier 77. © European Southern Observatory (ESO)

Un zoo de noyaux actifs de galaxies

Les AGN les plus spectaculaires sont les quasars qui de prime abord ressemblent à des étoiles vues dans un télescope ordinaire tout en étant de puissantes sources radio, mais dont la détermination précise des distances auxquelles ils étaient observés au début des années 1960 conduisait à admettre qu'il s'agissait d'objets dont la taille était de l'ordre de grandeur du Système solaire, capables toutefois de libérer en continu autant d'énergie que les étoiles d'une grande galaxie entière comme la Voie lactée.

Au final, les astronomes ont compris que les AGN pouvaient être décrits par trois grandes classes, à savoir les radiogalaxies, les galaxies de Seyfert et les quasars avec des sous-divisions. Certains sont très lumineux à la fois dans le visible et en radio, d'autres dans une seule de ces bandes spectrales. Certains possèdent des jets de matière, d'autres non.

Ainsi, les radiogalaxies sont des galaxies d'apparence ordinaire, plutôt des galaxies elliptiques géantes ou des galaxies lenticulaires, mais qui émettent puissamment dans le domaine radio. Le rayonnement radio émis peut être des centaines de fois plus puissant que celui des galaxies dites normales - on connaît par exemple le cas de la source baptisée Cygnus A, qui est un million de fois plus brillante que notre Voie lactée. Une caractéristique importante des radiogalaxies est la présence, parfois à des milliers d'années-lumière de leur centre, de deux lobes où est concentré l'essentiel de l'émission radio. Il s'agit de l'extrémité des jets de matière expulsés à très grande vitesse que l'on a mentionnés précédemment et dont on peut voir une illustration d'artiste dans la vidéo ci-dessus.

Les galaxies de Seyfert sont des galaxies spirales observées la première fois en 1943 par Karl Seyfert. On peut citer les galaxies NGC 1410 dans la constellation de l'Eridan et Messier 77 dans celle de la Baleine. Elles sont plus lumineuses que la moyenne des galaxies non seulement en radio, mais aussi dans le visible avec notamment leur noyau qui émet autant de lumière que le reste des étoiles de ces galaxies.

Jean-Pierre Luminet, directeur de recherche au CNRS et Françoise Combes, professeur au Collège de France, nous parlent des trous noirs et en particulier des trous noirs supermassifs dans les galaxies et qui sont derrière les AGN. © Fondation Hugot du Collège de France

On a fini par avancer l'idée, décrite par ce que l'on appelle le modèle unifié des AGN, que derrière tous ces noyaux actifs de galaxies se cachait un même type d'objets, mais vus sous différents angles et à différentes périodes de l'histoire de l'Univers, à savoir comme on l'a dit des trous noirs supermassifs émettant une énorme quantité d'énergie suite à des processus complexes, et pas toujours bien compris, d'accrétion de matière (principalement sous forme de filaments froids) et de magnétohydrodynamique relativiste.

Ainsi, dans une région guère plus grande que le Système solaire tout au plus, devait se trouver un tore de poussière et de gaz neutres entourant un disque d'accrétion de poussière, de gaz et finalement de matière ionisée par la chaleur libérée par frottements visqueux dans ce disque et chutant sur un trou noir de Kerr en rotation.

Le plasma chauffé pénétrant dans l'ergosphère du trou noir, c'est-à-dire la région de l'espace-temps entraînant en rotation tout corps tombant radialement, participait alors à un mécanisme complexe, élucidé en partie par Blandford et Znajeck, où l'énergie gravitationnelle de chute de la matière et surtout l'énergie de rotation du trou noir étaient converties en rayonnement intense et en jets de matière le long de l'axe de rotation de l'astre compact.

Les astronomes ont observé différents types d'AGN. Certains, appelés blazars, sont extrêmement brillants et peuvent présenter des variations de luminosité sur des échelles de temps de quelques heures ou de quelques jours seulement, tandis qu'un autre type, appelé quasar, est également très brillant mais tend à présenter une variabilité moindre que les blazars. Les galaxies de Seyfert, qui se présentent sous deux formes (1 et 2), constituent un autre type d'AGN, entourés de galaxies hôtes facilement détectables. Les galaxies de Seyfert 1 et de Seyfert 2 sont toutes deux caractérisées par un noyau brillant. Toutefois, celles de type Seyfert 2 ont tendance à être plus discrètes. Le modèle unifié des AGN stipule que, en dépit de leurs différences, tous les AGN sont dotés de la même structure de base : un trou noir supermassif entouré d'un épais anneau ou tore de poussière. D'après ce modèle, toute différence d'aspect entre les AGN résulte de l'angle sous lequel nous observons le trou noir et son volumineux anneau depuis la Terre. Le type d'AGN que nous observons dépend ainsi du degré d’obscurcissement du trou noir le long de la ligne de visée, l’anneau l’éclipsant parfois totalement. © European Southern Observatory (ESO), L. Calçada et M. Kornmesser

Un modèle unifié des AGN

Aujourd'hui, c'est donc une équipe d'astrophysiciens, dirigée par la doctorante Violeta Gámez Rosas de l'Université de Leiden aux Pays-Bas, qui vient d'apporter de nouvelles preuves de la pertinence du modèle unifié des AGN en réalisant les observations les plus précises à ce jour du centre de la galaxie Messier 77, située à 47 millions d'années-lumière de la Voie lactée dans la constellation de la Baleine, y révélant la présence d'un épais disque de poussière et de gaz cosmiques dissimulant un trou noir supermassif.

Le communiqué de l'ESO qui expose cette découverte, rendue possible par l'instrument Matisse (Multi AperTure mid-Infrared SpectroScopic Experiment) installé sur le VLTI, la présente comme une très sérieuse confirmation de la validité du modèle unifié avancé il y a trente ans. Situé dans le désert d'Atacama au Chili, cet instrument a combiné la lumière infrarouge collectée par les quatre télescopes de 8,2 mètres composant le Very Large Telescope (VLT) de l'ESO au moyen d'une technique baptisée interférométrie optique à longue base et qui permet donc d'avoir virtuellement un télescope de bien plus grande taille, avec un pouvoir de résolution supérieur pour observer des détails inédits.

Sur l’image de gauche, figure une vue splendide de la galaxie active Messier 77, capturée au moyen de l’instrument FORS2 (FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2) qui équipe le Very Large Telescope. L’image de droite présente une vue agrandie des régions centrales de cette galaxie, son noyau actif, acquise par l’instrument Matisse. © ESO, Jaffe, Gámez-Rosas et al.
Cette image, capturée au moyen de l’instrument Matisse, figure les régions centrales de la galaxie active Messier 77. Grâce à des observations remarquablement détaillées du centre actif de cette galaxie, une équipe d’astronomes a détecté la présence d’un anneau dense de poussière et de gaz cosmiques dissimulant un trou noir supermassif. Le point noir indique la position la plus probable du trou noir, tandis que les deux ellipses matérialisent l’étendue, vue en projection, du volumineux anneau de poussière interne (en pointillés) et du vaste disque de poussière. © ESO, Jaffe, Gámez-Rosas et al.

« Matisse est capable de détecter une vaste palette de longueurs d'onde infrarouge, nous permettant ainsi d'observer au travers de la poussière et de mesurer des températures avec précision. Parce que le VLTI consiste en un très grand interféromètre, il offre une résolution suffisante pour étudier les phénomènes se produisant au sein de galaxies aussi distantes que Messier 77. Les images obtenues témoignent des variations de température et d'absorption des nuages de gaz en périphérie du trou noir », précise Walter Jaffe, co-auteur de l'étude et professeur à l'Université de Leiden.

« La véritable nature des nuages de poussière, leur rôle dans l'alimentation du trou noir ainsi que dans l'aspect qu'il revêt vu depuis la Terre ont, durant trois décennies, constitué des questions essentielles pour tout chercheur travaillant sur les AGN. Bien qu'aucun résultat ne puisse à lui seul répondre à l'ensemble des questions qui se posent, une étape majeure vient d'être franchie dans notre compréhension du fonctionnement des AGN, explique Violeta Gámez Rosas qui ajoute, nos résultats devraient offrir une meilleure compréhension du fonctionnement interne des AGN. Ils pourraient également nous aider à mieux comprendre l'histoire de la Voie lactée, qui abrite un trou noir supermassif en son centre susceptible d'avoir été actif par le passé. »

Un résumé du modèle unifié des AGN expliquant les différentes observations par des différences de points de vue. Une classe particulière de quasar est celle des blazars (en anglais to blaze veut dire flamboyer) dont l'AGN BL Lacertae est l'exemple typique. Dans le modèle unifié des AGN, il s'agirait du jet de matière d'un quasar dirigé dans notre direction. © Nasa, EPO, Sonoma State University, Aurore Simonnet

Les chercheurs souhaitent désormais étendre leurs observations, au moyen du VLTI de l'ESO, à un échantillon plus vaste de galaxies, dans le but de conforter la validité du modèle unifié des AGN.

Bruno Lopez, l'un des membres de l'équipe et responsable principal de l'instrument Matisse à l'Observatoire de la Côte d'Azur, situé à Nice en France, ajoute quant à lui et toujours dans le communiqué de l'ESO que : « Messier 77 constitue un véritable prototype d'AGN. Son étude nous pousse à étendre notre programme d'observations et à optimiser Matisse  afin d'étudier un échantillon plus étendu d'AGN ».

Ce programme de recherche devrait prendre une nouvelle dimension lorsque l'Extremely Large Telescope (ELT) de l'ESO entrera en service avant la fin de cette décennie.

« Les trous noirs supermassifs trop gloutons. » Toutes les galaxies abritent en leur centre un trou noir supermassif, de masse comprise entre un million et quelques milliards de masses solaires. Il existe un rapport de proportionnalité entre la masse de ces trous noirs et la masse du bulbe des galaxies, ce qui fait penser que la formation des étoiles et l’alimentation des trous noirs se produisent simultanément. En quelque sorte, les galaxies et leurs trous noirs croissent en symbiose. Lorsque du gaz tombe vers le centre de la galaxie, le trou noir en avale le plus possible, mais la masse qu’il peut absorber est limitée. La chute de matière sur le trou noir libère une quantité considérable d’énergie, sous forme de rayonnement, et aussi sous forme d’énergie cinétique. Le noyau de la galaxie devient actif, soit un noyau de Seyfert, soit un quasar. Les vents et jets de plasma émis par le trou noir entraînent le gaz interstellaire environnant. Des flots de gaz moléculaire ont récemment été détectés autour des noyaux actifs, emportant tellement de masse qu’ils peuvent avoir un impact significatif sur l’évolution de la galaxie hôte, en régulant ou stoppant même l’approvisionnement en gaz pour la formation des étoiles. Les trous noirs gloutons, en recrachant leur nourriture, régulent la formation des étoiles. Nous détaillerons ces phénomènes, peut-être à l’origine de la proportionnalité entre masses des trous noirs et des bulbes. Françoise Combes est astronome à l'Observatoire de Paris au Laboratoire d'étude du rayonnement et de la matière en astrophysique (Lerma). Son domaine actuel de recherche concerne la formation et l’évolution des galaxies. © École normale supérieure - PSL

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