Entrevoir le cœur des galaxies.

À l'intérieur de toutes les énormes galaxies se trouve un trou noir supermassif. Certains brillent, tandis que d'autres sont à peine visibles - mais tous peuvent nous apprendre quelque chose sur l'évolution des galaxies.

Par Alison Klesman  | Publication: vendredi 22 février 2019

Centaurus A est une galaxie active à proximité. Il s'agit d'une galaxie Seyfert: son centre abrite un trou noir supermassif à alimentation active, mais la lumière de cette région n'est pas suffisamment brillante pour noyer la galaxie qui l'entoure.

ESO / WFI (optique); MPIfR / ESO / APEX / A. Weiss et al. (Submillimètre); NASA / CXC / CfA / R. Kraft et al. (Radiographie)

Dans une galaxie comme la Voie lactée, la lumière provient entièrement d'une combinaison d'étoiles brillantes et de gaz incandescent. Cependant, dans une galaxie active, la production d'énergie est trop élevée pour être attribuée à ces seuls facteurs. L'excès d'énergie est concentré dans le centre de la galaxie - son noyau galactique actif. 

Les noyaux galactiques actifs (AGN) se trouvent dans tout le cosmos sous de nombreuses formes. Certains se cachent dans des galaxies apparemment normales, tandis que les plus brillants pompent tellement d'énergie qu'ils éclipsent entièrement leur galaxie hôte. Les AGN sont des manifestations des trous noirs supermassifs trouvés dans presque toutes les galaxies que nous voyons, et ils ont joué un rôle important dans la formation de l'univers.

Objets quasi-stellaires
 

Les observations des centres galactiques ont donné des résultats étranges depuis le début des années 1900, mais ont initialement reçu peu d'attention. À la fin des années 1950, des astronomes surveillant le ciel avec des radiotélescopes tentaient de faire correspondre les sources radio avec des objets visibles tels que les étoiles et les galaxies. Ils ont découvert que, alors que de nombreux homologues optiques étaient des galaxies d'apparence normale, certaines sont apparues sous la forme d'étoiles bleues lumineuses souvent incrustées dans des halos flous à peine perceptibles dans le lavage de la lumière de l'étoile.

Ces boules bizarres, initialement surnommées «étoiles radio» et plus tard «sources radio quasi-stellaires», sont restées mystérieuses jusqu'en 1963, lorsque l'astronome néerlandais Maarten Schmidt a observé l'homologue en forme d'étoile de la source radio 3C 273 du Palomar Observatory en Californie. Il a examiné les spectres de la source, étalant la lumière par longueur d'onde pour identifier les caractéristiques associées à l'émission et à l'absorption d'énergie par différents atomes.

Le modèle unifié d'AGN stipule que tous les AGN contiennent les mêmes composants, simplement vus sous différents angles. De l'intérieur vers l'extérieur, AGN contient un trou noir supermassif; un disque d'accrétion et une couronne chaude de gaz; une région gazeuse en mouvement rapide; un tore de poussière obscurcissant; et une région gazeuse à déplacement plus lent. Certains AGN ont des jets puissants, qui peuvent être dirigés vers la Terre.

Astronomie: Roen Kelly

En examinant les résultats, Schmidt a reconnu une série de caractéristiques associées à l'hydrogène - comme si les caractéristiques avaient été déplacées en tant que groupe vers des longueurs d'onde plus rouges. Ce phénomène, appelé redshift, se produit lorsqu'un objet s'éloigne à grande vitesse, provoquant le déplacement de la longueur d'onde de sa lumière vers l'extrémité rouge du spectre. Les raies d'hydrogène observées par Schmidt avaient été décalées d'une quantité correspondant à un décalage vers le rouge de 0,158, plaçant 3C 273 à environ 2 milliards d'années-lumière. Mais si «l'étoile» de 13e magnitude était vraiment si éloignée, elle doit être au moins 100 fois plus brillante qu'une galaxie normale.
 

Peu de temps après, les astronomes ont revisité le spectre d'une autre étoile radio, 3C 48, et identifié les caractéristiques associées à un décalage vers le rouge de 0,3697, correspondant à une distance de plus de 4 milliards d'années-lumière. Des mesures d'objets plus quasi-stellaires ont suivi, toutes extrêmement éloignées. Peu de temps après, le terme quasar a été inventé. En 1973, un article de Jerome Kristian dans The Astrophysical Journal concluait que «tous les quasars se trouvent dans les noyaux des galaxies géantes». Ils apparaissent comme des étoiles car ils sont si brillants que la galaxie qui les entoure ne peut pas être facilement vue. 

Plus de classes apparaissent

Tous les AGN ne sont pas si dramatiques. En 1943, Carl Seyfert a signalé plusieurs galaxies spirales voisines d'aspect normal avec des noyaux inhabituellement brillants. Leurs centres ont affiché des émissions de haute énergie qui ne pouvaient pas provenir des étoiles. Des galaxies comme celles-ci sont maintenant appelées galaxies Seyfert; leurs AGN ne sont qu'une fraction de la lumière totale des galaxies hôtes.

De nombreux AGN émettent des rayons X, apparaissant dans les relevés de ces longueurs d'onde. Les astronomes trouvent également l'AGN brillant dans la lumière infrarouge, car leur émission à haute énergie est absorbée par la poussière et réémise à des longueurs d'onde plus longues.

3C 273, le premier quasar identifié, est si brillant qu'il apparaît comme une étoile bleue. Bien que le quasar réside au centre d'une immense galaxie elliptique, il éclipse son hôte, le rendant invisible. Un jet du quasar, qui s'étend sur 200 000 années-lumière, peut être vu en haut à gauche.

ESA / Hubble et NASA

La plupart des galaxies actives sont variables, donc les astronomes peuvent les découvrir en prenant des images de la même région du ciel à une certaine distance l'une de l'autre. Leur lumière visible scintille sur des mois ou des années, tandis que leur émission de rayons X peut varier sur des heures ou des jours. Les changements sur ces courtes périodes de temps réduisent à la fois le mécanisme qui alimente l'AGN et la taille de la région qu'ils peuvent occuper, permettant aux chercheurs de répondre à une question clé: qu'est-ce qui les alimente?

Alimenter le moteur
 

Après la découverte du 3C 273, les astronomes ont introduit des idées de sources d'énergie qui comprenaient des salves de formation d'étoiles ou de supernovae, et des options exotiques telles que les étoiles supermassives, les énormes pulsars ou les trous noirs supermassifs.

En 1969, Donald Lynden-Bell a montré que l'énergie potentielle gravitationnelle autour d'un trou noir avec une masse de 10 milliards de soleils et enfoncée dans un espace de 10 heures-lumière pouvait largement expliquer les sorties énergétiques des quasars. Il a soutenu que la matière tombant à des taux variables dans des trous noirs avec une gamme de masses pourrait expliquer tous les AGN, des galaxies Seyfert à basse énergie aux quasars à haute énergie.

Les astronomes croient maintenant que les trous noirs supermassifs résident au centre de presque toutes les galaxies. L'accumulation sur ces trous noirs est le «moteur central» qui alimente AGN. L'inflation de matière forme un disque d'accrétion tourbillonnant à l'approche du trou noir. Lorsque le matériau se déplace du disque externe vers l'horizon des événements, son énergie potentielle gravitationnelle est convertie en rayonnement à travers le spectre. Cependant, toutes les galaxies ne sont pas considérées comme actives, même si le trou noir se nourrit. Mais s'il y a suffisamment d'accrétion, nous voyons AGN.

Les AGN les plus brillants produisent des rayons gamma et des rayons cosmiques. Des blazars - des quasars avec des jets pointés vers la Terre - sont encerclés sur cette carte aux rayons gamma. Les plus brillants indiquent une énergie plus élevée. En 2018, des chercheurs de la collaboration IceCube ont retracé les neutrinos et les rayons gamma au blazar TXS 0506 + 056. Cette découverte a confirmé la théorie selon laquelle l'AGN peut produire des neutrinos de haute énergie.

Collaboration NASA / DOE / Fermi LAT

Qu'est-ce qui fait tourner le moteur? Au fur et à mesure que les galaxies s'assemblent et forment des étoiles, il y a une abondance de matériaux dans le noyau pour alimenter le trou noir, alimentant un quasar. Au fil du temps, cependant, ce carburant s'épuise et le quasar s'arrête. Comparée à la durée de vie des galaxies, la durée de vie «active» d'un quasar est courte et se produit tôt dans le développement de la galaxie. Même après avoir été éteint, l'AGN peut être réactivé si des interactions - fusions de galaxies ou survols rapprochés - entonnent le matériau vers le trou noir supermassif, redémarrant l'accrétion.
 

«L'évolution des quasars et celle des galaxies sont très similaires, et elles sont en fait très étroitement liées», explique Patrick McCarthy, scientifique à la Carnegie Institution for Science et vice-président de la Giant Magellan Telescope Organization. En effet, le plus grand nombre de quasars se trouve en même temps que la plupart des galaxies de l'univers formaient la majeure partie de leurs étoiles, entre les décalages vers le rouge 2 et 3. Il n'y a pas de quasars proches de 600 millions d'années-lumière, ce qui signifie qu'aucun n'existe encore aujourd'hui. Les AGN plus proches ne sont pas des quasars, mais des galaxies Seyfert de faible luminosité.

Une théorie unifiée

La théorie unifiée de l'AGN explique leurs différentes propriétés par des effets d'orientation. Il indique que tous les AGN sont du même type d'objet vu sous différents angles et partagent tous des caractéristiques similaires, qu'ils soient visibles ou non.

Chaque noyau galactique actif commence par un trou noir supermassif, généralement défini comme un objet avec 1 million de masses solaires ou plus. Son horizon d'événements est de plusieurs heures-lumière. Juste au-dessus, il y a le disque d'accrétion et une couronne de gaz chaude et sphérique. Ceux-ci s'étendent sur quelques jours-lumière. À une distance d'environ 100 jours-lumière se trouve une région de gaz en mouvement rapide. À environ 100 années-lumière, l'AGN est entourée d'un tore - un anneau en forme de beignet de poussière et de gaz qui peut cacher des parties du moteur central de la vue, selon l'angle d'inclinaison par rapport à la Terre. Au-delà du tore, à environ 1 000 années-lumière, se trouve une région de petits nuages ​​de gaz se déplaçant plus lentement.

Les astronomes obtiennent un spectre pour rechercher les caractéristiques associées à l'émission ou à l'absorption d'énergie par les atomes. Ce spectre du quasar CXOCDFS J033229.9-275106 a un décalage vers le rouge de 3,6, ce qui le place à environ 12 milliards d'années-lumière. L'une des caractéristiques les plus fortes du quasar est la lignée Lyman-alpha (Lyα), qui est associée à l'hydrogène. Dans un objet au repos, l'émission de Lyα se produit à une longueur d'onde de 121,567 nanomètres; dans ce quasar, cette longueur d'onde a été décalée vers le rouge à près de 580 nm.

ESO

Certains AGN ont des jets à déplacement rapide, qui proviendraient de champs magnétiques proches du trou noir. Les jets peuvent s'étirer vers l'extérieur pendant des centaines, voire des milliers d'années-lumière, crachant du matériau à une vitesse proche de celle de la lumière.

L'angle sous lequel nous voyons AGN détermine leur classification. Regarder directement dans le canon du jet révèle un blazar. Les deux principales classes de galaxies de Seyfert ne diffèrent que par la possibilité de voir les nuages ​​de gaz rapides et lents, ou si le tore cache le premier.

Mais les astronomes pensent que la luminosité découle des propriétés intrinsèques, y compris la quantité de carburant disponible et la vitesse à laquelle le trou noir consomme ce carburant. On pense que différents modes d'accrétion, ou types d'accrétion, génèrent plus ou moins de rayonnement, ce qui explique la plage observée. «Il existe des modes d'accrétion qui produisent beaucoup de luminosité à de hautes énergies dans le visible, les rayons X, les ultraviolets, et il existe d'autres modes d'accrétion qui peuvent accumuler une bonne quantité de matière sans avoir une forte signature radiative», explique McCarthy. . «L'un des domaines d'intérêt est d'essayer de comprendre comment ces différents modes d'accrétion s'allument et s'éteignent… [et] lorsqu'ils produisent beaucoup de rayonnement externe, combien de temps durent ces épisodes? Y a-t-il un seul gros flash ou y a-t-il plusieurs épisodes? »

Évoluer ensemble

La découverte de trous noirs supermassifs à l'intérieur des galaxies a apporté d'autres révélations. La masse du trou noir supermassif d'une galaxie est corrélée avec certaines propriétés des régions centrales de la galaxie, telles que sa masse totale et les vitesses des étoiles dans le renflement. Ces liens suggèrent que les galaxies et leurs trous noirs supermassifs se forment et évoluent ensemble, s'influençant mutuellement malgré leur grande différence d'échelle.

Les galaxies actives émettent souvent des rayons X. Cette image de l'observatoire aux rayons X de Chandra de l'amas de galaxies CL 0542-4100 montre un gaz chaud et diffus au centre de l'amas; les points encerclés identifient les galaxies actives au sein de l'amas. Les couleurs rouges correspondent aux rayons X de faible énergie, les vertes aux énergies intermédiaires et les bleues aux émissions de rayons X à haute énergie. 

NASA / CXC / Ohio State University / J. Eastman et al.

«L'une des choses que nous avons apprises sur l'évolution des galaxies massives est afin de reproduire les propriétés que nous voyons - les couleurs, les âges stellaires - la clé n'est pas tant de faire démarrer la formation stellaire, mais de l'éteindre, et le désactiver assez brusquement et assez tôt pour que les galaxies vieillissent assez rapidement et que les elliptiques ressemblent essentiellement à des sources mortes », explique McCarthy. La rétroaction AGN est un moyen possible d'arrêter la formation d'étoiles. Les vents ou jets d'AGN injectent de l'énergie dans le centre de la galaxie, chauffant le gaz afin qu'il ne puisse pas s'effondrer et former des étoiles. Cela "peut assez rapidement et assez globalement, dans un sens, arrêter la formation d'étoiles dans une galaxie massive", explique McCarthy.

Mais comment ces trous noirs massifs se forment en premier lieu est peut-être la plus grande question sans réponse concernant l'AGN et la formation des galaxies à ce jour. 

«Je pense que, dans un sens, l'un des moments aha a été la reconnaissance du fait que presque toutes les galaxies ont des trous noirs massifs en leur centre, et qu'il y a à peu près une fraction fixe de la masse du renflement galactique dans la masse du trou noir», dit McCarthy. «Et puis, il est logique que les galaxies et les trous noirs, ou les galaxies et l'AGN, co-évoluent. Mais cela soulève alors la question de savoir laquelle est venue en premier: le trou noir au centre de la galaxie, ou la galaxie puis le trou noir formé. C'est donc l'une des frontières. »

Les galaxies actives ont changé la façon dont les astronomes pensent de l'univers et la façon dont les galaxies en son sein grandissent. Leurs balises lumineuses ont façonné le cosmos et servent toujours d'outils puissants pour comprendre ses propriétés à travers le temps.

Source: http://www.astronomy.com
Lien: http://www.astronomy.com/magazine/2019/02/glimpsing-the-heart-of-galaxies?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR06z-AyLURmqOmEiH8Hq94h_OpXy7M7VSLoB18olznNJ6mtQ158P201kig