Une équipe d’astronomes dirigée par Julie Hlavacek-Larrondo, de l’Université de Montréal, a utilisé le télescope spatial James Webb observer et reconstituer dynamique de comme un trou noir supermassif peut obtenir le gaz dont il se nourrit. Les observations ont été réalisées sur le noyau de NGC4696la galaxie géante au centre deAmas Centaure (également connu sous le nom d’Abell 3526), environ 145 millions d’années lumière de la Terre. Le JWST photographié, pour la première fois directementun filament de gaz qui se jette littéralement dans le disque d’accrétion qui alimente le trou noir supermassif central. L’étude, publiée le La lettre du journal astrophysiqueOui, résout une énigme que les astronomes traînent depuis des années.
En pratique, un trou noir supermassif, comme ceux au centre des galaxies, lorsqu’il est actif, entraîne la matière qui l’entoure dans son disque d’accrétion. Les dieux sont alors produits jets hautement polarisés généré par son fort champ magnétique qui projette les particules libres autour du disque à uneénergie quasi-relativiste assez pour chauffer le gaz galactique environnant. À mesure que le gaz se réchauffe, il se dilate, ralentissant sa chute gravitationnelle. Donc le trou noir devrait à un moment donné manquer de matériel disponiblecar le système d’alimentation se bloque à cause de la chaleur produite. Cependant, de nombreux trous noirs ils continuent à se nourrir pendant des milliards d’années sans jamais se tarir, et les données de Webb expliquent enfin pourquoi. Le gaz chauffé, avec le temps, se refroidit à nouveau, se condense en filaments et tombe vers le centre, donnant lieu à un cycle d’équilibre autonome.
Ce que Webb a vu au cœur de NGC 4696 : de longs filaments de gaz
Les astronomes avaient besoin d’observer en détail la région centrale d’une galaxie dans laquelle un trou noir supermassif était actif, et le noyau de NGC 4696 est un sujet idéal à cet effet. En fait, la galaxie est entourée devaste nébuleuse de filaments de gaz qui s’étendent sur des dizaines de milliers d’années-lumière à des températures allant du plasma très chaud (des dizaines de millions de degrés centigrades) détectable uniquement dans Rayons X jusqu’au gaz moléculaire beaucoup plus froid. Déjà avec le télescope Hubble, une structure caractéristique en forme de « S » constituée de gaz ionisé avait été identifiée dans la région centrale, le premier jamais observé au centre d’un amas de galaxies.
Avec l’outil NIRSpec (un spectrographe avancé conçu pour fonctionner dans la bande proche infrarouge, de 0,6 à 5,3 microns) du JWST, l’équipe d’astronomes a observé cette région pendant près de 8 heures consécutives, atteignant une résolution de seulement 10 parsecs (environ 30 années-lumière), un niveau de détail qui a permis de résoudre la dynamique du gaz dans le noyau galactique.
Les cartes obtenues ont révélé que le « S » identifié par Hubble est en réalité un disque de gaz tournant autour du trou noirenviron large 800 années-lumièreavec un matériau tournant en même temps vitesse jusqu’à 600 km/s. L’aspect qui intéressa le plus les scientifiques fut, pour la première fois, le fait que le télescope Webb montra que le Le disque d’accrétion de NGC 4696 est physiquement connecté à l’un des grands filaments de gaz de la galaxie : on peut littéralement voir le gaz circuler le long du filament et se déverser dans le disque d’accrétion qui alimente le trou noir.
Les filaments de gaz froids se forment parce que le gaz chauffé par les jets du trou noir entourant le centre de la galaxie en se refroidissant devient instable et au lieu de refroidir uniformément partout, s’effondre pour former ces longs et étroits filaments de gaz photographié par JWST.
Le mécanisme d’autorégulation des trous noirs supermassifs
Le point clé a été résolu grâce à la capacité de l’instrument NIRSpec à mesurer pour chaque point de l’image la vitesse à laquelle le gaz se déplace et dans quelle direction. La technique s’appelle spectroscopie de champ intégral (de l’anglais Spectroscopie de champ intégral). En pratique, on obtient simultanément le spectre lumineux de chaque point d’une image bidimensionnelledécomposant la lumière dans toutes ses longueurs d’onde, point par point, et mesurant laEffet Doppler. Grâce à cela, les astronomes ont pu détecter que la vitesse du gaz change considérablement continu et cohérent au fur et à mesure que vous vous déplacez du filament vers le disque, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de sauts ni de discontinuités tout au long du trajet. C’est ce qui permet de dire qu’il ne s’agit pas de deux structures distinctes vues par hasard proches l’une de l’autre, mais d’un unique flux physique de gaz s’écoulant du filament vers le disque d’accrétion.
L’image qui se dégage est celle d’un système capable de s’autoréguler. Les jets du trou noir actif chauffent le gaz de la galaxie. Cependant, au fil du temps, une partie de ce gaz se refroidit, devient instable et s’effondre en filaments, tombant vers le centre du trou noir. À mesure que le gaz tombe vers le centre, les champs magnétiques de la galaxie contribuent à sa perte de vitesse de rotation, le canalisant vers le noyau du trou noir, où il s’accumule dans le disque en rotation observé par le JWST. À ce stade, le gaz retourne alimenter le disque d’accrétion du trou noir qui enflamme de nouveaux jets et réchauffe à nouveau le gaz environnant. Le cycle recommence ainsi de manière stable.
Le mécanisme dans son ensemble peut répéter pendant des milliards d’annéesen principe pour toute la vie de la galaxie et de l’amas qui l’héberge. Tant que le halo chaud autour du centre de la galaxie continue à contenir du gaz (et dans des amas comme celui de Centaura, où se trouve NGC 4696, cette réserve est énorme), le cycle peut recommencer encore et encore, permettant ainsi au trou noir central des galaxies de se disperser. continuer à être actif et de ne pas manquer de matière disponible à avaler.
Comment se forme le disque d’accrétion d’un trou noir
Le disque d’accrétion c’est là structure clé qui rend visible et observable l’activité d’un trou noir autrement invisible, et est la structure qui permet aux astronomes, en étudiant sa rotation et la vitesse du gaz à l’intérieur, de retourner à la messe du trou noir qui le génère.
Les gaz et les poussières qui se retrouvent dans sa sphère d’influence gravitationnelle ont presque toujours une certaine quantité de moment cinétique hérité du mouvement général des gaz dans la galaxie. Pour le conservation du moment cinétique ce matériau ne peut pas tomber en ligne droite vers le centre. Il est donc disposé dans une structure aplatie et tournante, la somme de tout le moment cinétique global du gaz, c’est-à-dire le disque d’accrétion du trou noir.
Le gaz dans le disque d’accrétion roue autour du trou noir un différentes vitesses en fonction de la distance, les couches les plus internes tournant plus vite que les couches externes. Cela crée une forte frottement visqueux entre des couches adjacentes de gaz circulant à des vitesses différentes. La forte friction convertit l’énergie du mouvement en chaleur, et plus le gaz se rapproche du trou noir, plus cet effet s’intensifie. La partie la plus interne du disque peut atteindre des millions de degrés et émettent des rayons X.
Le gaz qui s’enroule dans le disque d’accrétion devient un plasma, c’est-à-dire un gaz ionisé, qui génère des dieux. champs magnétiques très puissantsle. Cela se transforme fondamentalement en une sorte de dynamo gigantesquele gaz ionisé formant un courant circulaire autour du trou noir. Lorsque le gaz tourne autour du trou noir, ces champs magnétiques ils viennent enroulé et amplifié de la rotation elle-même. Le résultat est qu’une structure de champ magnétique très intense orientée perpendiculairement au disque se forme à proximité du trou noir.
Les lignes de champ magnétique sont concentrées le long de l’axe de rotation du disque (les deux pôles, au-dessus et en dessous) et canalisent et accélèrent les particules ionisées autour du disque d’accrétion vers deux poutres étroites et opposéesplutôt que de les laisser se disperser dans toutes les directions. C’est ainsi que je jets (en anglais jets) du trou noir. Les jets émergent presque toujours par paires, un à chaque pôle, perpendiculairement au plan du disque. C’est la géométrie du champ magnétique qui leur donne cette forme collimatée, capable de rester étroite et cohérente et de s’étendre également sur des milliers ou des millions d’années-lumière.
Ces particules sont projetés à vitesse proche de celui de la lumièreperpendiculaires au disque, et qui font office de réchauffeurs du gaz diffusé dans le halo de la galaxie. Ce gaz chauffé par les jets est le même qui, en se refroidissant avec le temps, retombe en filaments et ferme le cycle électrique étudié par les astronomes dans le noyau de la galaxie NGC 4696.