4 Juillet 2014

XMM détecte un phénomène nouveau au voisinage d’un trou noir

Une équipe internationale d’astronomes a observé un phénomène aussi inattendu qu’étrange dans l’environnement du trou noir supermassif présent au centre de la galaxie active NGC 5548. Les chercheurs ont détecté un nuage de matière s’échappant rapidement des régions proches du trou noir et bloquant environ 90 % du rayonnement X qui en provient. Cette découverte pourrait permettre de mieux comprendre l'interaction des trous noirs supermassifs et de leurs galaxies hôtes.

La matière doit être protégée du rayonnement X

Cette question est cruciale : selon les théories de formation et d’évolution des galaxies les plus communément admises, celles-ci devraient former toutes leurs étoiles rapidement puis rester dans un état plus calme. Or on observe, au contraire, de vieilles galaxies encore actives. Une hypothèse avancée est justement l’action des vents qui s’échappent de leurs trous noirs centraux – presque toutes en possèdent – vents qui ralentiraient la formation d’étoiles.

La matière qui chute sur un trou noir s’échauffe à des centaines de millions de degrés et émet en conséquence un fort rayonnement X et ultraviolet (UV). En interagissant avec la matière environnante, ce rayonnement UV peut propulser la matière sous forme de vents pouvant atteindre des vitesses élevées. Ces vents peuvent même être assez puissants pour souffler le gaz qui, sinon, tomberait sur le trou noir. Mais ce processus d’accélération ne fonctionne correctement que si la matière est suffisamment protégée du rayonnement X. En effet les rayons X ionisent la matière (c’est-à-dire qu’ils arrachent des électrons aux atomes) de telle sorte que celle-ci devient insensible au rayonnement UV, ce qui a pour effet de rendre le processus d’accélération inefficace.

Un nuage de matière qui fait écran

Pourtant, on observe depuis longtemps ces flots de matière et de gaz ; on a donc imaginé l’existence de nuages-écrans qui protégeraient la matière du rayonnement ionisant X. C’est ce processus qui vient d’être observé de manière éclatante. Les observations récentes débutées en juin 2013 à l’aide notamment des télescopes XMM-Newton et Hubble, montrent en effet un changement radical de l’émission de NGC 5548 par rapport aux observations faites quelques années auparavant. Les astronomes ont ainsi observé qu’une partie du flot de matière était beaucoup moins ionisée que par le passé. Ce changement s’explique par l’apparition - en un laps de temps relativement court - d’un nuage de matière suffisamment dense pour faire écran à 90 % du rayonnement X. Moins ionisé, le flot peut alors être efficacement accéléré par le rayonnement UV.

Si les vents observés généralement dans les galaxies actives comme NGC 5548 sont assez loin du trou noir central et se déplacent à des vitesses avoisinant les 1000 km/s, le nuage jouant le rôle d’écran semble provenir de régions bien plus proches du trou noir et se déplace aussi plus rapidement, aux alentours de 5000 km/s, suivant la ligne de visée. Selon Pierre-Olivier Petrucci, chercheur à l’IPAG (CNRS/Université de Grenoble), « il pourrait même provenir du disque d’accrétion » [qui entoure le trou noir]. C’est donc un phénomène différent de ce qui a été parfois observé dans d’autres galaxies et imputés à des nuages-écran en simple transit devant le trou noir.

Il est ainsi possible que nous soyons en présence d’un seul et même flot de matière dont les parties internes, plus denses, protègeraient les parties externes du rayonnement X et faciliteraient par la même leur accélération. Ces observations apportent ainsi un regard nouveau sur la formation et la dynamique de ces vents et leur interaction possible, à plus grande échelle, avec la galaxie hôte.

Ce résultat a été réalisé au moyen d’observations longues et répétées obtenues à l’aide des grands observatoires spatiaux de l'ESA et de la NASA : le satellite XMM-Newton, le télescope spatial Hubble, ainsi que les satellites Swift, Nustar, Chandra, et INTEGRAL. Une équipe internationale comprenant des scientifiques français a ainsi mené la plus vaste campagne de surveillance jamais réalisée d'une galaxie active en 2013 et 2014. Ces résultats sont publiés dans Science magazine (juin 2014).

Le CNES soutient le traitement des données des satellites XMM et Integral par les scientifiques français.

Animation

Voici un lien vers le film Un voyage au coeur de la galaxie active NGC 5548 de Renaud Person aide à visualiser les résultats présentés dans cette étude (695 mégaoctets à télécharger).

La galaxie NGC 5548 possède en son centre, dans une région plus petite que l'orbite de la Terre autour du Soleil, un trou noir supermassif de 40 millions de fois la masse du Soleil. Aspirée par ce trou noir, la matière environnante tombe en tourbillonnant et forme un plasma de plusieurs centaines de millions de degrés (appelé couronne) à l’origine du rayonnement X observé. Le disque libère également dans l’espace de puissants flots de gaz chauds. Ces flots contiennent des régions plus denses qui peuvent occulter l’émission X émise en direction de la Terre (cette direction étant indiquée par la ligne verte dans l’animation). En nous éloignant du trou noir, nous croisons des vents produits par les régions plus externes du disque et que l’on appelle « Broad Line Regions». Bien plus loin encore, à des années lumière du trou noir, des flots de matière ionisées absorbent également une partie du rayonnement X et UV produits par les régions proches du trou noir. Ces flots peuvent se refroidir si des nuages denses, dans les régions internes du flot, proches du trou noir, occultent ce rayonnement énergétique UV/X. La puissance émise par l’environnement du trou noir est si forte qu'elle peut avoir un impact sur l’évolution de la galaxie hôte. La galaxie NGC 5548 a une taille de cent mille années-lumière et se trouve à une distance de 240 millions d'années-lumière de la terre.

Références de l'article

Kaastra et al. (2014), A fast and long-lived outflow from the supermassive black hole in NGC 5548, Science DOI 10.1126/science.1253787

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