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Une galaxie active offre un regard nouveau sur l’environnement d’un trou noir supermassif

Bien connaître et pouvoir anticiper/modéliser la dynamique des galaxies est un enjeu crucial de l’astrophysique et de la cosmologie. Une équipe internationale d’astronomes comprenant un chercheur de l’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble (IPAG : CNRS/Université Joseph Fourier, OSUG) 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 flot de matière et de gaz 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. Ces résultats sont publiés ce jour (19 juin) dans Science.

Si de nombreuses galaxies actives possèdent des vents de matière et de gaz, elles ne montrent jamais une évolution aussi radicale de l’un d’entre eux. Dans le cas de NGC 5548, les chercheurs ont observé la présence d’un nuage de gaz se déplaçant précisément le long de la ligne de visée et protégeant les régions externes du vent du rayonnement de haute énergie provenant de l’environnement immédiat du trou noir. Il s’agit de la première manifestation directe du phénomène d’écrantage imaginé de longue date pour permettre d’accélérer efficacement ces puissants vents de matière. C’est un résultat important pour mieux comprendre la manière dont les trous noirs supermassifs peuvent interagir avec leurs galaxies hôtes. 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 de telle sorte que celle-ci interagit moins bien avec le rayonnement UV ce qui a pour effet de rendre le processus d’accélération inefficace.

Or on observe depuis longtemps ces flots de matière et de gaz d’où la nécessité de supposer l’existence d’un processus d’écrantage. C’est ce processus qui vient d’être observé de manière éclatante par cette équipe de chercheurs. 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 à un niveau d’ionisation bien plus bas que par le passé. Ce changement s’explique par la forte baisse du rayonnement X ionisant provenant des régions proches du trou noir suite à 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 flot de matière 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. 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 dirigée par le scientifique Jelle Kaastra de l’Institut de Recherche Spatiale des Pays-bas, SRON, 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).

Animation :

Une nouvelle création de Renaud Person, l’un des directeurs des environnements et décors du célèbre jeu video "Assassin’s Creed"© de Ubisoft. Le film nous emmène dans un voyage au cœur de la galaxie NGC5548, et nous aide à visualiser les résultats présentés dans cette étude.

Voici un lien vers le film : www.sron.nl/ kaastra/press55...

Animation : Un voyage au cœur de la galaxie active NGC 5548 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 ionisés absorbent également une partie du rayonnement X et ultraviolet 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.

Méthode et mesures :

Afin d’obtenir ces résultats les scientifiques ont eu recours à plusieurs méthodes de mesure et d’analyse, et notamment à l’observation de raies d’absorption. Lorsque l’on observe le rayonnement en provenance d’une galaxie, on obtient un spectre en fréquence (dans l’UV et les X en l’occurrence ici) i.e. une mesure de la quantité de lumière émise à une fréquence donnée. Si le rayonnement ne rencontre aucun obstacle en chemin, ce spectre présente une certaine forme et une certaine continuité. Mais la lumière peut rencontrer de la matière sur son parcours et cette matière va pouvoir absorber certaines fréquences caractéristiques des matériaux traversés. Le spectre que l’on récupérera présentera alors des lacunes à certaines fréquences. C’est ce qu’on appelle des raies d’absorption, qui sont d’autant plus marquées que l’absorption est forte. C’est ainsi que l’on peut déduire, à partir de l’observation d’une raie d’absorption donnée, l’abondance de tel ou tel élément dans la matière traversée par la lumière. Dans le cas de la campagne d’observations de NGC 5548 par exemple, on a pu observer en 2013 la présence de raies d’absorption du Carbone III témoignant de la présence d’un nuage plus froid (i.e. moins ionisé) que par le passé où cette raie n’avait pas été détectée. La vitesse des nuages peut également être évaluée à partir de la forme de ces raies d’absorption. Si un nuage de gaz est en mouvement relatif par rapport à une source de rayonnement (ici le rayonnement UV/X en provenance des régions proches du trou noir), il perçoit ce rayonnement à une fréquence plus grande (s’il s’approche de la source de rayonnement) ou plus petite (s’il s’en éloigne) que nous sur Terre. C’est ce qu’on appelle l’effet Doppler. De notre point de vue, ce nuage va donc absorber la lumière à des fréquences différentes de celles attendues s’il ne se déplaçait pas. Plus généralement, si plusieurs nuages se trouvent sur la ligne de visée et se déplacent à des vitesses différentes, la forme des raies en absorption observées sur Terre sera fortement modifiée. Inversement, à partir de l’étude de ces déformations, on peut remonter à la vitesse des nuages présents sur la ligne de visée. Dans le cas des raies en absorption observées dans le spectre UV de NGC 5548, ces déformations indiquent la présence de matière se déplaçant dans notre direction (les raies en absorption sont ainsi décalées vers les plus grandes fréquences, on parle de décalage vers le bleu) à des vitesses allant de 1000 à 5000 km/s.

Contact chercheur :

Pierre Olivier Petrucci - Chargé de recherche CNRS à l’IPAG - pierre-olivier.petrucci univ-grenoble-alpes.fr

Equipe scientifique :

L’équipe scientifique qui a obtenu ces résultats est constituée de Jelle Kaastra (SRON Utrecht, Pays-Bas), Jerry Kriss (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA), Massimo Cappi (INAF-IASF Bologna, Italie), Missagh Mehdipour (SRON Utrecht, Pays-Bas), Pierre-Olivier Petrucci (IPAG, Univ. Grenoble Alpes, CNRS, France), Katrien Steenbrugge (Universidad Católica del Norte, Antofagasta, Chili), Nahum Arav (Virginia Tech, Blacksburg, USA), Ehud Behar (Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israel), Stefano Bianchi (Università degli Studi Roma Tre, Italie), Rozenn Boissay (University of Geneva , Suisse), Graziella Branduardi-Raymont (MSSL/UCL, Holmbury St. Mary, UK), Carter Chamberlain (Virginia Tech, Blacksburg, USA ), Elisa Costantini (SRON Utrecht, Pays-Bas), Justin Ely (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA), Jacobo Ebrero (ESA, Espagne), Laura Di Gesu (SRON Utrecht, Pays-Bas), Fiona Harrison (California Institute of Technology, Pasadena, USA), Shai Kaspi (Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israel), Julien Malzac (IRAP, Université de Toulouse, CNRS, France), Barbara De Marco (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Allemagne), Giorgio Matt (Università degli Studi Roma Tre, Italie), Paul Nandra (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Allemagne), Stéphane Paltani (University of Geneva , Suisse), Renaud Person (St. Jorioz, France), Brad Peterson (Ohio State University, Columbus, USA), Ciro Pinto (University of Cambridge, UK), Gabriele Ponti (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Allemagne), Francisco Pozo Nuñez (Ruhr-Universität Bochum, Allemagne), Alessandra De Rosa (INAF/IAPS, Roma, Italie), Hiromi Seta (Rikkyo University, Tokyo, Japon), Francesco Ursini (IPAG, University of Grenoble, CNRS, France), Cor de Vries (SRON Utrecht, Pays-Bas), Dom Walton (California Institute of Technology, Pasadena, USA), Megan Whewell (MSSL/UCL, Holmbury St. Mary, UK).


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