Comment les trous noirs supermassifs se réveillent après des millions d'années

Un géant endormi au cœur de chaque galaxie

Presque chaque grande galaxie abrite un trou noir supermassif en son centre – un objet dont la masse est des millions, voire des milliards de fois celle du Soleil. La plupart du temps, ces trous noirs sont dormants, se tenant tranquillement dans l'obscurité. Mais lorsque du gaz et de la poussière frais dérivent à portée gravitationnelle, un trou noir dormant peut rugir à nouveau et devenir ce que les astronomes appellent un noyau galactique actif (NGA). Les éruptions qui en résultent figurent parmi les événements les plus puissants de l'univers.

Ce qui met le moteur en marche

Un trou noir supermassif se réveille lorsqu'il a accès à un nouveau carburant. Les fusions de galaxies, les interactions de marée avec les galaxies voisines ou la simple canalisation gravitationnelle peuvent diriger des flux de gaz vers le centre galactique. Au fur et à mesure que ce matériau se rapproche en spirale, il forme un disque d'accrétion en rotation rapide – un plateau de gaz et de poussière surchauffé qui peut atteindre des températures de millions de degrés.

Le frottement entre les particules du disque convertit l'énergie gravitationnelle en rayonnement avec une efficacité extraordinaire. Selon la NASA, l'accrétion peut convertir 10 à plus de 40 % de la masse d'un objet en énergie, éclipsant les quelque 0,7 % de la fusion nucléaire. Cette efficacité explique pourquoi un seul NGA peut éclipser toute sa galaxie hôte d'un facteur de 100 à 1 000.

Des jets qui s'étendent sur un million d'années-lumière

Tout le matériau entrant ne disparaît pas au-delà de l'horizon des événements. De puissants champs magnétiques près du trou noir canalisent une partie du plasma surchauffé en jets relativistes jumeaux – des faisceaux étroits de matière et d'énergie lancés le long de l'axe de rotation du trou noir à une vitesse proche de celle de la lumière. Ces jets peuvent s'étendre sur des centaines de milliers d'années-lumière dans l'espace intergalactique, sculptant de vastes cavités dans le gaz environnant.

Les astronomes classent les NGA en plusieurs familles en fonction de l'angle de vue et de la luminosité. Les galaxies de Seyfert sont relativement proches et modestes. Les quasars sont beaucoup plus lumineux et éloignés. Les blazars sont des quasars dont les jets pointent directement vers la Terre, ce qui les fait apparaître extraordinairement brillants.

Pourquoi les trous noirs s'allument et s'éteignent

L'activité des NGA n'est pas permanente. Une fois qu'un trou noir a épuisé l'approvisionnement en gaz dans son voisinage immédiat, le disque d'accrétion s'amincit, les jets s'estompent et le noyau se calme – parfois pendant des dizaines de millions d'années. Lorsqu'un nouvel approvisionnement en gaz arrive finalement, le cycle redémarre. Les astronomes appellent ce schéma activité épisodique des NGA, et l'intervalle entre les éruptions est connu sous le nom de cycle de service des jets.

Des études de ce qu'on appelle les galaxies radio doubles-doubles – qui présentent des paires imbriquées de lobes radio provenant d'éruptions successives – montrent que les phases de calme peuvent durer de 100 000 à 100 millions d'années. Ces lobes fossiles agissent comme des couches géologiques, permettant aux chercheurs de reconstituer l'histoire éruptive d'un trou noir.

Un récent réveil cosmique

Un exemple frappant est la galaxie J1007+3540, où un trou noir supermassif a redémarré ses jets après environ 100 millions d'années de silence. Les observations du réseau radio LOFAR aux Pays-Bas et du Giant Metrewave Radio Telescope en Inde ont révélé un jet interne compact et brillant imbriqué à l'intérieur de structures de plasma plus anciennes et estompées s'étendant sur près d'un million d'années-lumière. La chercheuse principale, Shobha Kumari, a décrit la scène comme « comme regarder un volcan cosmique entrer à nouveau en éruption après des siècles de calme ».

Parce que J1007+3540 se trouve à l'intérieur d'un amas de galaxies massif rempli de gaz extrêmement chaud, les jets redémarrés sont courbés et déformés par la pression externe – donnant aux scientifiques une rare occasion d'étudier comment les jets interagissent avec leur environnement en temps réel.

Pourquoi c'est important pour l'évolution des galaxies

La rétroaction des NGA est l'un des mécanismes clés qui régulent la croissance des galaxies. Les jets et les vents lancés par les trous noirs actifs chauffent le gaz froid environnant, supprimant temporairement la formation d'étoiles dans toute la galaxie hôte. Sans ce frein, les simulations prédisent que les galaxies formeraient beaucoup plus d'étoiles que ce que les astronomes observent réellement. Comprendre le cycle de service de l'activité des NGA aide donc à expliquer pourquoi les galaxies ont l'apparence qu'elles ont – et comment les plus grandes structures cosmiques évoluent sur des milliards d'années.