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Astronomers observe supermassive black hole feeding and feedback on sub-parsec scales

Les astronomes observent l’alimentation et la rétroaction des trous noirs supermassifs à des échelles inférieures au parsec

par ALMA

Le monoxyde de carbone (CO ; indiquant la présence d'un gaz moléculaire de densité moyenne) est représenté en rouge ; carbone atomique (C ; indiquant la présence de gaz atomique) en bleu ; cyanure d'hydrogène (HCN ; indiquant la présence d'un gaz moléculaire de haute densité) en vert ; et la ligne de recombinaison de l'hydrogène (H36α ; indiquant la présence de gaz ionisé) en rose. La taille du disque central de gaz dense (vert) est d’environ 6 années-lumière. Le flux de plasma se déplace presque perpendiculairement au disque. Crédit : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Izumi et al.

Une équipe de recherche internationale dirigée par Takuma Izumi, professeur adjoint à l'Observatoire astronomique national du Japon, a franchi une étape importante en observant le noyau galactique actif à proximité de la galaxie Circinus, avec une résolution extrêmement élevée (environ 1 année-lumière) en utilisant le grand réseau millimétrique/submillimétrique d'Atacama (ALMA).

Ces résultats d’observation, intitulés « Alimentation et rétroaction des trous noirs supermassifs observés à des échelles inférieures au parsec », sont publiés dans Science.

Il s'agit de la première mesure quantitative au monde des flux de gaz et de leurs structures à proximité immédiate, à l'échelle de quelques années-lumière, d'un trou noir supermassif dans toutes les phases gazeuses, y compris plasma, atomique et moléculaire. En conséquence, l’équipe a clairement capturé le flux d’accrétion se dirigeant vers le trou noir supermassif et a révélé que ce flux d’accrétion est généré par un mécanisme physique connu sous le nom d’« instabilité gravitationnelle ».

En outre, l’équipe a également constaté qu’une partie importante de ce flux d’accrétion n’est pas utilisée pour la croissance du trou noir. Au lieu de cela, la majeure partie du gaz est expulsée du voisinage du trou noir sous forme d'écoulements atomiques ou moléculaires, et retourne vers le disque de gaz pour participer à nouveau à un flux d'accrétion vers le trou noir : ce processus de recyclage de gaz s'apparente à une fontaine d'eau. . Ces découvertes représentent une avancée cruciale vers une compréhension globale des mécanismes de croissance des trous noirs supermassifs.

Au centre de nombreuses galaxies massives, il existe des « trous noirs supermassifs » dont la masse dépasse un million de fois celle du soleil. Comment se forment ces trous noirs supermassifs ? L’un des mécanismes de croissance cruciaux proposés par des recherches antérieures est « l’accumulation de gaz » sur le trou noir. Cela fait référence au processus par lequel le gaz de la galaxie hôte tombe d’une manière ou d’une autre vers le trou noir central.

Le gaz qui se rassemble très près des trous noirs supermassifs est accéléré à grande vitesse en raison de la gravité du trou noir. En raison du frottement intense entre les particules de gaz, ce gaz s'échauffe à des températures pouvant atteindre plusieurs millions de degrés et émet une lumière brillante. Ce phénomène est connu sous le nom de noyau galactique actif (AGN), et sa luminosité peut parfois dépasser la lumière combinée de toutes les étoiles de la galaxie. Il est intéressant de noter qu’une partie du gaz qui tombe vers le trou noir (flux d’accrétion) serait emportée par l’immense énergie de ce noyau galactique actif, entraînant des écoulements.

Des études théoriques et observationnelles ont fourni des informations détaillées sur les mécanismes d'accrétion de gaz depuis l'échelle de 100 000 années-lumière des galaxies jusqu'à une échelle de quelques centaines d'années-lumière au centre. Cependant, l’accumulation de gaz dans une région beaucoup plus petite, notamment à quelques dizaines d’années-lumière du centre galactique, reste floue en raison de son échelle spatiale extrêmement limitée.

Par exemple, pour comprendre quantitativement la croissance des trous noirs, il est nécessaire de mesurer le débit d’accrétion (la quantité de gaz entrant) et de déterminer les quantités et les types de gaz (plasma, gaz atomique, gaz moléculaire) qui sont expulsés. comme des sorties à cette petite échelle. Malheureusement, la compréhension observationnelle à cet égard n’a pas progressé de manière significative jusqu’à présent.

Dans cette étude, l’équipe de recherche a d’abord réussi à capturer, pour la première fois, le flux d’accrétion se dirigeant vers le trou noir supermassif au sein du disque de gaz à haute densité s’étendant sur plusieurs années-lumière du centre galactique. L'identification de ce flux d'accrétion a longtemps été une tâche difficile en raison de la petite échelle de la région et des mouvements complexes du gaz à proximité du centre galactique.

Cependant, dans ce cas, l’équipe de recherche a identifié l’endroit où le gaz moléculaire du premier plan absorbait la lumière du noyau galactique actif brillant en arrière-plan. Cette identification a été rendue possible grâce à des observations à haute résolution avec ALMA. Une analyse détaillée a révélé que ce matériau absorbant s’éloigne de nous. Puisque le matériau absorbant existe toujours entre le noyau galactique actif et nous, cela indique que l’équipe a réussi à capturer le flux d’accrétion vers le noyau galactique actif.

De plus, l’équipe de recherche a également élucidé le mécanisme physique responsable de l’induction de cette accumulation de gaz. Le disque de gaz observé lui-même présentait une force gravitationnelle si importante qu'elle ne pouvait pas être maintenue par la pression calculée à partir du mouvement du disque de gaz.

Lorsque cette situation se produit, le disque de gaz s’effondre sous son propre poids, formant des structures complexes et devenant incapable de maintenir un mouvement stable au centre galactique. En conséquence, le gaz tombe rapidement vers le trou noir central. ALMA a désormais clairement révélé ce phénomène physique connu sous le nom d'« instabilité gravitationnelle » au cœur de la galaxie.

De plus, cette étude a considérablement fait progresser la compréhension quantitative des flux de gaz autour du noyau galactique actif. À partir de la densité du gaz observé et de la vitesse du flux d’accrétion, le taux d’accrétion auquel le gaz est fourni au trou noir peut être calculé. Étonnamment, ce taux s’est avéré 30 fois supérieur à ce qui est réellement nécessaire pour maintenir l’activité de ce noyau galactique actif.

En d’autres termes, la majorité du flux d’accrétion à l’échelle d’une année-lumière autour du centre galactique ne contribuait pas à la croissance du trou noir. Alors, où est passé ce surplus de gaz ? Ce mystère a également été résolu dans cette étude : observations à haute sensibilité de toutes les phases gazeuses (moléculaires, atomiques et plasmatiques de densité moyenne ; correspondant aux régions rouges, bleues et roses de la première image ci-dessus) avec des sorties détectées par ALMA du milieu actif. noyau galactique.

Grâce à une analyse quantitative, il a été révélé que la majorité du gaz qui s’écoulait vers le trou noir était expulsé sous forme d’écoulements atomiques ou moléculaires. Cependant, en raison de leur vitesse lente, ils n’ont pas pu échapper au potentiel gravitationnel du trou noir et sont finalement retournés vers le disque de gaz. Là, ils ont été recyclés dans un flux d'accrétion vers le trou noir, semblable à une fontaine, complétant ainsi un fascinant processus de recyclage des gaz au centre galactique (deuxième image).

Concernant les réalisations de cette étude, Izumi déclare : « Détecter les flux et les sorties d'accrétion dans une région située à seulement quelques années-lumière autour du trou noir supermassif en croissance active, en particulier dans un gaz multiphasique, et même déchiffrer le mécanisme d'accrétion lui-même, sont en effet monumentaux. réalisations dans l'histoire de la recherche sur les trous noirs supermassifs.

En se tournant vers l'avenir, il poursuit : « Pour comprendre de manière globale la croissance des trous noirs supermassifs au cours de l'histoire cosmique, nous devons étudier différents types de trous noirs supermassifs situés plus loin de nous. Cela nécessite une haute résolution et une haute sensibilité. observations, et nous avons de grandes attentes quant à l'utilisation ultérieure d'ALMA, ainsi qu'aux prochains grands interféromètres radio dans

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COMMENTAIRES  

 D 'abord quelques reponses pour mMr  SIMPLE QUIDAM 

-le parsec est défini comme étant la distance à laquelle une unité astronomique sous-tend un angle d'une seconde de degré (environ 206 265 au). 

-Tous noirs ultra-massifs : comment l'Univers les produit-il ...

Les UMBH se trouvent au centre des galaxies comme les SMBH, mais ils ont plus de cinq milliards de masses solaires, une masse étonnamment grande. Le plus grand trou noir que nous connaissons est Phoenix A, un UMBH comptant jusqu'à 100 milliards de masse solaire.

-Quelle est la preuve observationnelle de l’existence d’un trou noir supermassif au centre galactique ?

Ils ont  un pouvoir d attraction énorme  mais sobt   souvent découvert  par une source radio  ,unn rayonnement synchrotron dense et immobile 

-Peut -on en voir hors de notre galaxie ?

Les astronomes ont découvert le trou noir le plus éloigné jamais confirmé, à plus de 31 milliards d'années-lumière de la Terre.

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More information: Takuma Izumi et al, Supermassive black hole feeding and feedback observed on sub-parsec scales, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adf0569. www.science.org/doi/10.1126/science.adf0569

Journal information: Science 

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