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Les trous noirs supermassifs peuvent activer et désactiver la formation d'étoiles dans une grande galaxie

Astronomie : Les trous noirs supermassifs peuvent activer et désactiver la formation d'étoiles dans une grande galaxie

Dans les années 1970, les astronomes ont découvert qu'un trou noir particulièrement important (Sagittarius A *) existait au centre de notre galaxie. Avec le temps, ils ont compris que des trous noirs supermassifs similaires existaient au centre de la plupart des galaxies massives. La présence de ces trous noirs était également ce qui différenciait les galaxies dotées de noyaux particulièrement lumineux. Noyaux Galactiques Actifs (AGN) - de ceux qui ne l'ont pas fait.

Depuis ce temps, les astronomes et les cosmologues se sont demandé quel rôle les SMBH avaient dans l'évolution de la galaxie, certains affirmant avoir un impact profond sur la formation d'étoiles. Et grâce à une étude récente réalisée par une équipe internationale d'astronomes, il existe désormais des preuves directes d'une corrélation entre SMBH et la formation d'étoiles d'une galaxie. En fait, l'équipe a démontré que la masse d'un trou noir pourrait déterminer le moment auquel la formation d'étoiles dans une galaxie prendra fin.

L'étude, intitulée «Formation d'étoiles à régulation de trous noirs dans les galaxies massives», a récemment été publiée dans la revue scientifique Nature. Dirigée par Ignacio Martín-Navarro, membre Marie Curie de l'Observatoire de l'Université de Californie, l'équipe de recherche était également composée de membres de l'Institut d'astronomie Max-Planck et de l'Instituto de Astrofísica de Canarias.

Le miroir primaire du télescope Hobby-Eberly (HET) à l'observatoire McDonald. Le miroir est composé de 91 segments et a une ouverture effective de 9, 2 mètres. Crédit: Observatoire Marty Harris / McDonald

Dans le cadre de leur étude, l’équipe s’est appuyée sur les données recueillies lors de l’enquête massive sur les galaxies du télescope Hobby-Eberle en 2015. Cette étude systématique a utilisé le télescope Hobby-Eberly (HET) de 10 m de l’observatoire McDonald pour mener une étude spectroscopique optique à longue fente. de plus de 1000 galaxies. Cette étude a non seulement fourni des spectres pour ces galaxies, mais également des mesures de masse directes des trous noirs centraux pour 74 de ces galaxies.

À l'aide de ces données, Martín-Navarro et ses collègues ont découvert la première preuve observationnelle d'une corrélation directe entre la masse du trou noir central d'une galaxie et son histoire de formation d'étoiles. Alors que les astrophysiciens opèrent sous cette hypothèse depuis des décennies, la preuve manquait jusqu'à présent. Comme le dit Jean Brodie, professeur d’astronomie et d’astrophysique à l’UC Santa Cruz et coauteur du journal, dans un communiqué de presse de l’UCSC:

«Nous avons composé les commentaires pour que les simulations se déroulent sans pour autant savoir comment cela se passe. C'est la première preuve d'observation directe où nous pouvons voir l'effet du trou noir sur l'histoire de la formation d'étoiles de la galaxie. "

Il y a environ 15 ans, la corrélation entre la masse d'une SMBH et la masse totale des étoiles d'une galaxie a été découverte, ce qui a conduit à une question majeure non résolue dans les cercles astrophysiques. Bien que cette corrélation semble être une caractéristique centrale des galaxies, il n’a pas été facile de déterminer ce qui l’aurait provoquée. Comment relier la masse d'un trou noir relativement petit et central à la masse de milliards d'étoiles réparties dans une galaxie?

La galaxie NGC 660 - dans cette galaxie et dans d'autres, le taux de formation de nouvelles étoiles semble être lié à l'évolution du trou noir central de la galaxie. Crédit: ESA / Hubble / NASA

Une explication possible est que des galaxies plus massives collectaient de plus grandes quantités de gaz, ce qui donnait plus d'étoiles et un trou noir central plus massif. Cependant, les astrophysiciens pensaient également qu’il s’agissait d’un mécanisme de rétroaction à l’œuvre, dans lequel la croissance des trous noirs inhibait la formation d’étoiles à proximité. En bref, lorsque la matière s'accumule sur un trou noir central, elle envoie une énorme quantité d’énergie sous forme de jets de radiations et de particules.

Si cette énergie est transférée aux gaz et aux poussières entourant le noyau de la galaxie, les étoiles risquent moins de se former dans cette région, car les gaz et les poussières doivent être froids pour pouvoir subir des zones d'effondrement. Pendant des années, des réactions de ce type ont été incluses dans les simulations cosmologiques pour expliquer les taux de formation d'étoiles observés dans les galaxies. Selon ces mêmes simulations, moins ce mécanisme, les galaxies formeraient beaucoup plus d'étoiles que celles observées.

Cependant, aucune preuve directe de ce phénomène n’était disponible auparavant. La première étape pour en obtenir consistait à reproduire les historiques de formation stellaire des 74 galaxies cibles utilisées pour l'étude. Pour ce faire, Martín-Navarro et ses collègues ont soumis les spectres obtenus de chacune de ces galaxies à des techniques de calcul permettant de déterminer la meilleure combinaison de populations stellaires correspondant aux données.

L'équipe a ainsi pu reconstituer l'histoire de la formation des étoiles dans les galaxies cibles au cours des 12, 5 milliards d'années écoulées. Après avoir examiné ces histoires, ils ont constaté des résultats prévisibles, mais également des différences assez significatives. Pour commencer, comme prévu, les régions situées autour des trous noirs centraux autour des galaxies ont démontré une nette influence d'amortissement sur le taux de formation des étoiles.

Le concept de l'artiste du trou noir supermassif le plus éloigné jamais découvert. Il fait partie d'un quasar datant de seulement 690 millions d'années après le Big Bang. Crédit: Robin Dienel / Carnegie Institution for Science

Comme prévu, il existait également une nette corrélation entre la masse des trous noirs centraux et la masse stellaire dans ces galaxies. Cependant, l'équipe a également noté que dans les cas où la masse stellaire était légèrement inférieure à celle attendue (par rapport à la masse de leurs trous noirs centraux), les taux de formation d'étoiles étaient plus bas. Dans d'autres cas, les galaxies avaient des masses stellaires plus grandes que prévu (encore une fois, par rapport à leurs trous noirs) et leurs taux de formation d'étoiles étaient plus élevés.

Cette corrélation était non seulement plus cohérente que celle observée entre la masse du trou noir et la masse stellaire, elle se produisait indépendamment d'autres facteurs (tels que la forme ou la densité). Comme l'explique Martín-Navaro:

«Pour les galaxies ayant la même masse d'étoiles mais une masse de trous noirs différente au centre, les galaxies avec des trous noirs plus grands ont été trempées plus tôt et plus rapidement que celles ayant des trous noirs plus petits. La formation d'étoiles a donc duré plus longtemps dans les galaxies dotées de trous noirs centraux plus petits. "

Ils ont également noté que cette corrélation s'étend jusque dans les profondeurs du passé, où les galaxies dotées de trous noirs centraux supermassifs produisent régulièrement un taux relativement bas d'étoiles depuis 12, 5 milliards d'années. Ceci constitue la première preuve solide d'un lien direct à long terme entre la formation d'étoiles et l'existence d'un trou noir central dans une galaxie.

Gros plan d'une étoile près d'un trou noir supermassif (impression de l'artiste). Crédit: ESA / Hubble, ESO, M. Kornmesser

Une autre conclusion intéressante de l’étude est la façon dont elle aborde les corrélations possibles entre la luminosité AGN et la formation d’étoiles. Dans le passé, d'autres chercheurs ont cherché à trouver des preuves d'un lien entre les deux, mais sans succès. Selon Martín-Navarro et son équipe, c'est peut-être parce que les échelles de temps sont incroyablement différentes. Tandis que la formation d'étoiles se produit au cours des siècles, les explosions d'AGN se produisent sur des intervalles plus courts.

De plus, les AGN sont très variables et leurs propriétés dépendent d'un certain nombre de facteurs liés à leurs trous noirs c'est-à-dire la taille, la masse, le taux d'accrétion, etc. Nous avons utilisé la masse du trou noir comme Un substitut de l'énergie mise dans la galaxie par l'AGN, car l'accrétion sur des trous noirs plus massifs entraîne une rétroaction plus énergétique des noyaux actifs de la galaxie, ce qui permettrait d'étouffer la formation d'étoiles plus rapidement », a déclaré Martin-Navarro.

L’équipe espère mener des recherches plus poussées et déterminer de quelle manière les trous noirs centraux arrêtent la formation d’étoiles. À l'heure actuelle, la possibilité que cela soit dû à un rayonnement ou à des jets de gaz chauffant la matière environnante n'est pas définitive. Comme l'a indiqué Aaron Romanowsky, astronome à l'Université d'État de San Jose et aux observatoires de l'UC:

«Un trou noir peut injecter de l'énergie dans la galaxie de différentes manières. Les théoriciens ont toutes sortes d'idées sur la façon dont l'extinction se produit, mais il reste encore beaucoup de travail à faire pour intégrer ces nouvelles observations dans les modèles.

Pour déterminer comment l’Univers a été créé, il est essentiel de connaître les mécanismes en jeu et l’étendue de leurs rôles. Avec cette dernière étude, astrophysiciens et cosmologues peuvent se réconforter en sachant qu’ils ont réussi, du moins dans ce cas!

Lectures supplémentaires: UCSC, MPIA, Nature

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