Comment les trous noirs dirigent la vie des galaxies

Le trou noir de la galaxie M106 expulse des jets de matière (en rouge sur cette vue en fausses couleurs). © R. Jay Gabany
Le taux de formation stellaire d’une galaxie dépend de la taille de son trou noir central, d’après une étude parue dans la revue “Nature” en janvier 2018. Chez les grandes galaxies, plus le trou noir est massif, plus la création d’étoiles est efficace, mais brève…

Voilà des décennies que le mystère restait entier. Par quel phénomène le rythme auquel les étoiles se forment dans les galaxies diffère-t-il autant ? La question, qui intrigue les astronomes depuis près de quarante ans, les a conduits à se tourner vers les noyaux galactiques, seuls points de dissemblance entre des galaxies de masse comparable. Et une équipe y a finalement trouvé une réponse étonnante : c’est le trou noir qui trône au cœur des galaxies similaires à notre Voie lactée, ou plus grandes encore, qui contrôle leur taux de formation stellaire.

Des boosters à croissance

« Il a d’abord été tenté de faire le lien entre l’activité du noyau galactique et la formation stellaire. Mais aucun résultat n’a été concluant, raconte Ignacio Martin-Navarro, de l’université de Santa Cruz et auteur principal de l’étude qui apporte la clé de l’énigme. Le noyau galactique n’est actif que pendant quelques millions d’années seulement. Or, les changements de rythme dans la formation stellaire s’étendent sur des périodes beaucoup plus longues, plusieurs milliards d’années. »

Alors il a fallu creuser plus loin. Et plus en profondeur. Au cœur de quasiment chaque galaxie réside un trou noir supermassif. Mais, comme son nom l’indique, ce trou noir ne peut être observé directement. Ignacio Martin-Navarro et ses collègues se sont donc intéressés à la sphère d’influence du trou noir, c’est-à-dire la région de la galaxie dans laquelle la dynamique stellaire est directement influencée par sa présence.

« La façon dont les étoiles se déplacent autour du centre galactique nous permet de déterminer la masse du trou noir central », explique Ignacio Martin-Navarro. Et là, bingo : c’est celle-ci qui régit le taux de formation stellaire. En moyenne, les galaxies possédant un trou noir supermassif atteignent 95 % de leur masse finale environ 4 milliards d’années plus tôt que les galaxies au trou noir plus modeste.

Pyramide des âges stellaires

De même, l’âge des étoiles dépend du trou noir. Puisque la formation stellaire s’est arrêtée plus tôt dans les galaxies possédant un trou noir supermassif, les étoiles y sont logiquement plus âgées. En revanche, les galaxies au trou noir de gabarit plus modeste peuvent continuer à fabriquer des étoiles. Leurs populations stellaires sont donc plus variées en âge.

Mais comment le trou noir bloque-t-il ainsi la création d’étoiles ? Probablement par la formidable énergie qu’il dégage quand il absorbe de la matière. Celle-ci soufflerait le gaz interstellaire, empêchant ainsi son effondrement pour créer des étoiles. Autre possibilité, elle chaufferait ce gaz. Or, les étoiles se forment à partir de gaz froid.

« Sans forcément éjecter le gaz de la galaxie, le chauffer est suffisant pour “couper les vivres” de la galaxie. Une fois que la galaxie a utilisé tout son gaz interstellaire — ce qui lui prend environ un milliard d’années —, la formation stellaire s’arrête alors », explique Mark Krumholz, théoricien en astrophysique à l’Université nationale australienne.

Un jet de particules de très haute énergie émis par Sagittarius A*, le trou noir de la Voie lactée, est révélé par les observations
du satellite X Chandra et du radiotélescope VLA. © Nasa/Chandra

Car si le trou noir central ne représente en général que 0,1 % de la masse des étoiles de la galaxie, il dégage bien plus d’énergie par unité de masse que les supernovae ! « À titre de comparaison, la fusion de l’hydrogène en hélium a un rendement énergétique de 0,7 % : seul 0,7 % de la masse de l’hydrogène est libérée sous forme d’énergie, détaille Mark Krumholz. De même, les supernovae ont un rendement de 0,001 % ; seul un millième de la masse stellaire est transformé en énergie cinétique. En revanche, ce sont 10 % de la masse accrétée qui est dégagée en énergie dans le cas des trous noirs ! » renchérit-il.

Régime différent pour les petites galaxies

Si cette corrélation entre masse du trou noir et formation stellaire est essentiellement étudiée dans les galaxies massives, c’est parce qu’elles sont plus faciles à étudier. Une galaxie massive a un trou noir plus imposant, impliquant une sphère d’influence et une luminosité plus importante, ce qui rend le calcul de sa masse plus aisé.

« Il nous est encore difficile de mesurer la masse d’un trou noir central, et même de détecter sa présence, dans une galaxie de la taille des Nuages de Magellan (galaxies naines voisines de la Voie lactée). Déjà, pour une galaxie de la taille de la Voie lactée, c’est plutôt compliqué ! » concède Mark Krumholz.

Le Grand et le Petit Nuage de Magellan sont deux galaxies naines situées dans le voisinage de la Voie lactée. © A. Mellinger/V. Belokurov

De plus, dans les petites galaxies, des facteurs autres que la masse du trou noir central influeraient sur la formation stellaire. Car moins les galaxies sont massives, plus la gravité est faible. Extirper du gaz aux Nuages de Magellan ne demande qu’une vitesse de libération de 200 km/s environ. Pour la Voie lactée, entre 400 et 500 km/s. Proportionnellement, l’explosion de supernovae aura donc un impact plus important sur une petite galaxie.

De la faible influence des collisions de galaxies

Enfin, un article publié début février dans l’Astrophysical Journal note une corrélation très nette entre le taux de formation stellaire dans les Nuages de Magellan et la collision entre les deux galaxies, il y a 300 millions d’années.

« Cela ne fait aucun doute qu’une collision galactique booste la formation d’étoiles, reprend Mark Krumholz. Quand on observe autour de nous les galaxies les plus actives en la matière, celles-ci semblent toutes déformées [comme après une rencontre galactique, NDLR]. La formation stellaire va d’ailleurs probablement fortement augmenter dans la Voie lactée lorsqu’elle entrera en collision avec la galaxie d’Andromède. Mais cela dit, ces collisions sont plutôt rares, donc leur influence sur le taux de formation stellaire dans l’Univers est très faible ! » conclut le chercheur.

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