Un quasar – la source de lumière persistante la plus lumineuse de l’univers. Crédit : NASA
Une découverte qui donne un nouvel aperçu de l’évolution des galaxies.
Au centre des galaxies, comme la nôtre voie Lactée, se trouvent des trous noirs massifs entourés de gaz en rotation. Certains brillent de mille feux, avec un approvisionnement continu en carburant, tandis que d’autres restent en sommeil pendant des millions d’années, pour se réveiller avec un afflux de gaz fortuit. La façon dont le gaz circule à travers l’univers pour alimenter ces énormes trous noirs reste un mystère.
Professeur adjoint de physique à l’Université du Connecticut Daniel Anglés-Alcázar, auteur principal d’un article publié récemment dans Le Journal d’Astrophysique, aborde certaines des questions entourant ces caractéristiques massives et énigmatiques de l’univers en utilisant de nouvelles simulations puissantes.
« Les trous noirs supermassifs jouent un rôle clé dans l’évolution des galaxies et nous essayons de comprendre comment ils se développent au centre des galaxies », explique Anglés-Alcázar. “C’est très important non seulement parce que les trous noirs sont des objets très intéressants en eux-mêmes, en tant que sources de ondes gravitationnelles et toutes sortes de choses intéressantes, mais aussi parce que nous devons comprendre ce que font les trous noirs centraux si nous voulons comprendre comment les galaxies évoluent.
Distribution du gaz à travers les échelles, la densité du gaz passant du violet au jaune. Le panneau supérieur gauche montre une vaste région contenant des dizaines de galaxies (6 millions d’années-lumière de diamètre). Les panneaux suivants zooment progressivement dans la région nucléaire de la galaxie la plus massive et jusqu’au voisinage du trou noir supermassif central. Des amas de gaz et des filaments tombent du bord intérieur de la cavité centrale, alimentant occasionnellement le trou noir. Crédit : Anglés-Alcazar et al. 2021, ApJ, 917, 53.
Anglés-Alcázar, qui est également chercheur associé au Flatiron Institute Center for Computational Astrophysics, dit qu’un défi pour répondre à ces questions a été de créer des modèles suffisamment puissants pour tenir compte des nombreuses forces et facteurs qui interviennent dans le processus. Les travaux antérieurs se sont penchés soit sur de très grandes échelles, soit sur la plus petite des échelles, « mais cela a été un défi d’étudier la gamme complète des échelles connectées simultanément ».
La formation des galaxies, explique Anglés-Alcázar, commence par un halo de matière noire qui domine la masse et le potentiel gravitationnel de la région et commence à aspirer du gaz de son environnement. Les étoiles se forment à partir du gaz dense, mais certaines d’entre elles doivent atteindre le centre de la galaxie pour alimenter le trou noir. Comment tout ce gaz arrive-t-il là ? Pour certains trous noirs, cela implique d’énormes quantités de gaz, l’équivalent de dix fois la masse du soleil ou plus avalée en seulement un an, explique Anglés-Alcázar.
« Lorsque les trous noirs supermassifs se développent très rapidement, nous les appelons quasars », dit-il. « Ils peuvent avoir une masse allant jusqu’à un milliard de fois la masse du soleil et peuvent surpasser tout le reste de la galaxie. L’apparence des quasars dépend de la quantité de gaz qu’ils ajoutent par unité de temps. Comment pouvons-nous faire descendre autant de gaz au centre de la galaxie et assez près pour que le trou noir puisse l’attraper et se développer à partir de là ?
Les nouvelles simulations fournissent des informations clés sur la nature des quasars, montrant que les fortes forces gravitationnelles des étoiles peuvent tordre et déstabiliser le gaz à travers les échelles, et entraîner un afflux de gaz suffisant pour alimenter un quasar lumineux à l’époque du pic d’activité galactique.
En visualisant cette série d’événements, il est facile de voir les complexités de leur modélisation, et Anglés-Alcázar dit qu’il est nécessaire de tenir compte de la myriade de composants influençant l’évolution des trous noirs.
«Nos simulations intègrent de nombreux processus physiques clés, par exemple l’hydrodynamique du gaz et son évolution sous l’influence des forces de pression, de la gravité et de la rétroaction des étoiles massives. Des événements puissants tels que les supernovae injectent beaucoup d’énergie dans le milieu environnant et cela influence la façon dont la galaxie évolue, nous devons donc incorporer tous ces détails et processus physiques pour capturer une image précise.
S’appuyant sur les travaux antérieurs du projet FIRE (« Feedback In Realistic Environments »), Anglés-Alcázar explique la nouvelle technique décrite dans l’article qui augmente considérablement la résolution du modèle et permet de suivre le gaz lorsqu’il traverse la galaxie avec plus de mille fois meilleure résolution qu’auparavant,
« D’autres modèles peuvent vous donner beaucoup de détails sur ce qui se passe très près du trou noir, mais ils ne contiennent pas d’informations sur ce que fait le reste de la galaxie, ou encore moins, ce que fait l’environnement autour de la galaxie. Il s’avère qu’il est très important de connecter tous ces processus en même temps, c’est là qu’intervient cette nouvelle étude.
La puissance de calcul est tout aussi énorme, selon Anglés-Alcázar, avec des centaines d’unités centrales de traitement (CPU) fonctionnant en parallèle qui auraient facilement pu prendre la longueur de millions d’heures CPU.
« C’est la première fois que nous sommes en mesure de créer une simulation capable de capturer toute la gamme d’échelles dans un seul modèle et où nous pouvons observer comment le gaz s’écoule à partir de très grandes échelles jusqu’au centre même de la galaxie massive sur laquelle nous nous concentrons.
Pour les études futures de grandes populations statistiques de galaxies et de trous noirs massifs, nous devons comprendre l’image complète et les mécanismes physiques dominants pour autant de conditions différentes que possible, explique Anglés-Alcázar.
“C’est quelque chose qui nous passionne vraiment. Ce n’est que le début de l’exploration de tous ces différents processus qui expliquent comment les trous noirs peuvent se former et se développer sous différents régimes. »
Pour en savoir plus sur cette recherche, lisez Une nouvelle simulation révèle comment les galaxies alimentent leurs trous noirs supermassifs.
Référence : « Cosmological simulations of quasar fueling to sub-parsec scales using Lagrangian hyper-refinement » par Daniel Anglés-Alcázar, Eliot Quataert, Philip F. Hopkins, Rachel S. Somerville, Christopher C. Hayward, Claude-André Faucher-Giguère, Greg L. Bryan, Dušan Kereš, Lars Hernquist et James M. Stone, 17 août 2021, Journal d’astrophysique.
DOI : 10.3847 / 1538-4357 / ac09e8
Outre Anglés-Alcázar, l’étude comprend des auteurs des collaborations FIRE et SMAUG (« Simulating Multiscale Astrophysics to Understanding Galaxies ») : Eliot Quataert (University of California Berkeley et université de Princeton), Philip F. Hopkins (Caltech), Rachel S. Somerville (Flatiron Institute), Christopher C. Hayward (Flatiron Institute), Claude-André Faucher-Giguère (Université du nord-ouest), Greg L. Bryan (Université Columbia), Dušan Kereš (Université de Californie à San Diego), Lars Hernquist (Harvard University) et James M. Stone (Institute for Advanced Study).
