Une image fixe de la simulation montrant une vaste région contenant des dizaines de galaxies (6 millions d’années-lumière de diamètre). Crédit : Anglés-Alcazar et al. 2021, ApJ, 917, 53
Premier modèle pour montrer comment le gaz s’écoule à travers l’univers dans un supermassif trou noir‘s centre.
Les bras spiraux des galaxies sont responsables de la récupération du gaz pour alimenter leurs trous noirs supermassifs centraux, selon une nouvelle simulation de haute puissance.
Commencé à Université du nord-ouest, la simulation est la première à montrer, en détail, comment le gaz circule à travers l’univers jusqu’au centre d’un trou noir supermassif. Alors que d’autres simulations ont modélisé la croissance des trous noirs, il s’agit de la première simulation informatique unique suffisamment puissante pour prendre en compte de manière exhaustive les nombreuses forces et facteurs qui interviennent dans l’évolution des trous noirs supermassifs.
La simulation donne également un aperçu rare de la nature mystérieuse des quasars, qui sont des trous noirs incroyablement lumineux et à croissance rapide. Certains des objets les plus brillants de l’univers, les quasars éclipsent souvent même des galaxies entières.
« La lumière que nous observons à partir de quasars éloignés est alimentée lorsque le gaz tombe dans les trous noirs supermassifs et se réchauffe au cours du processus », a déclaré Claude-André Faucher-Giguère de Northwestern, l’un des auteurs principaux de l’étude. « Nos simulations montrent que les structures des galaxies, telles que les bras spiraux, utilisent les forces gravitationnelles pour « freiner » le gaz qui, autrement, serait en orbite autour des centres des galaxies pour toujours. Ce mécanisme de rupture permet au gaz de tomber dans les trous noirs et les freins gravitationnels, ou couples, sont suffisamment puissants pour expliquer les quasars que nous observons.
La recherche a été publiée le 17 août 2021 dans le Journal d’astrophysique.
Faucher-Giguère est professeur agrégé de physique et d’astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre du Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique (CIERA). Daniel Anglés-Alcázar, professeur adjoint à l’Université du Connecticut et ancien boursier CIERA dans le groupe Faucher-Giguère, est le premier auteur de l’article.
Équivalent à la masse de millions voire de milliards de soleils, les trous noirs supermassifs peuvent avaler 10 fois la masse d’un soleil en un an seulement. Mais alors que certains trous noirs supermassifs bénéficient d’un approvisionnement continu en nourriture, d’autres restent en sommeil pendant des millions d’années, pour se réveiller brusquement avec un afflux de gaz fortuit. Les détails sur la façon dont le gaz circule à travers l’univers pour alimenter les trous noirs supermassifs sont restés une question de longue date.
Jusqu’à présent, les théoriciens développaient des explications en rassemblant différentes idées sur la façon dont la matière dans les galaxies s’entasse dans le millionième le plus intime de la taille d’une galaxie.
– Claude-André Faucher-Giguère, astrophysicist
Pour résoudre ce mystère, l’équipe de recherche a développé la nouvelle simulation, qui intègre de nombreux processus physiques clés – y compris l’expansion de l’univers et de l’environnement galactique à grande échelle, l’hydrodynamique des gaz de gravité et la rétroaction des étoiles massives – dans un seul modèle.
“Des événements puissants tels que les supernovae injectent beaucoup d’énergie dans le milieu environnant, ce qui influence l’évolution de la galaxie”, a déclaré Anglés-Alcázar. “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 »), la nouvelle technologie augmente considérablement la résolution du modèle et permet de suivre le gaz lorsqu’il traverse la galaxie avec une résolution plus de 1 000 fois meilleure qu’auparavant.
1 000x
La nouvelle simulation a une résolution 1 000 fois meilleure que les simulations précédentes.
“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 sur ce que fait l’environnement autour de la galaxie.” dit Anglés-Alcazar. “Il s’avère qu’il est très important de connecter tous ces processus en même temps.”
“L’existence même des trous noirs supermassifs est assez étonnante, mais il n’y a pas de consensus sur la façon dont ils se sont formés”, a déclaré Faucher-Giguère. « La raison pour laquelle les trous noirs supermassifs sont si difficiles à expliquer est que leur formation nécessite d’entasser une énorme quantité de matière dans un espace minuscule. Comment l’univers parvient-il à faire cela ? Jusqu’à présent, les théoriciens développaient des explications en rassemblant différentes idées sur la façon dont la matière dans les galaxies s’entasse dans le millionième le plus intime de la taille d’une galaxie.
Avec les nouvelles simulations, les chercheurs peuvent enfin modéliser comment cela se produit. Par exemple, la nouvelle simulation aidera les chercheurs à comprendre l’origine du trou noir supermassif au centre de notre propre voie Lactée galaxie ainsi que le trou noir supermassif au centre de la galaxie Messier 87, qui a été capturé par le télescope Event Horizon en 2019. Ensuite, les chercheurs visent à étudier de grandes populations statistiques de galaxies et leurs trous noirs centraux pour mieux comprendre comment les trous noirs peuvent se former et se développer dans diverses conditions.
Referene : « 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
L’étude a été soutenue par la Simons Foundation, la National Science Foundation et Nasa.
