Des recherches combinant des observations systématiques avec des simulations cosmologiques ont montré que, étonnamment, les trous noirs peuvent aider certaines galaxies à former de nouvelles étoiles. A l'échelle des galaxies, le rôle des trous noirs supermassifs dans la formation d'étoiles était auparavant considéré comme destructeur :les trous noirs actifs peuvent priver les galaxies du gaz dont elles ont besoin pour former de nouvelles étoiles. Les nouveaux résultats, publié dans la revue La nature , présenter des situations où les trous noirs actifs peuvent, au lieu, "ouvrir la voie" aux galaxies qui orbitent à l'intérieur de groupes ou d'amas de galaxies, empêchant ces galaxies d'avoir leur formation d'étoiles perturbée lorsqu'elles volent à travers le gaz intergalactique environnant.

On pense principalement que les trous noirs actifs ont une influence destructrice sur leur environnement. Alors qu'ils projettent de l'énergie dans leur galaxie hôte, ils se réchauffent et éjectent le gaz de cette galaxie, rendant plus difficile pour la galaxie de produire de nouvelles étoiles. Mais maintenant, les chercheurs ont découvert que la même activité peut réellement aider à la formation d'étoiles, du moins pour les galaxies satellites qui orbitent autour de la galaxie hôte.

Le résultat contre-intuitif est né d'une collaboration déclenchée par une conversation à l'heure du déjeuner entre des astronomes spécialisés dans les simulations informatiques à grande échelle et des observateurs. En tant que tel, c'est un bon exemple du type d'interaction informelle qui est devenu plus difficile dans des conditions de pandémie.

Les observations astronomiques qui incluent la prise du spectre d'une galaxie lointaine - la séparation semblable à un arc-en-ciel de la lumière d'une galaxie en différentes longueurs d'onde - permettent des mesures assez directes de la vitesse à laquelle cette galaxie forme de nouvelles étoiles.

En se basant sur de telles mesures, certaines galaxies forment des étoiles à des rythmes plutôt calmes. Dans notre propre galaxie de la Voie Lactée, seulement une ou deux nouvelles étoiles naissent chaque année. D'autres subissent de brèves poussées d'activité excessive de formation d'étoiles, appelés « éclats d'étoiles », avec des centaines d'étoiles nées par an. Dans d'autres galaxies, la formation d'étoiles semble être supprimée, ou "éteint, " comme disent les astronomes :de telles galaxies ont pratiquement cessé de former de nouvelles étoiles.

Un genre spécial de galaxie, dont les spécimens sont fréquemment - près de la moitié du temps - dans un tel état éteint, sont des galaxies dites satellites. Ceux-ci font partie d'un groupe ou d'un amas de galaxies, leur masse est relativement faible, et ils orbitent autour d'une galaxie centrale beaucoup plus massive, de la même manière que les satellites orbitent autour de la Terre.

De telles galaxies forment généralement très peu de nouvelles étoiles, le cas échéant, et depuis les années 1970, les astronomes ont soupçonné que quelque chose de très semblable à un vent contraire pourrait être à blâmer :les groupes et les amas de galaxies contiennent non seulement des galaxies, mais aussi du gaz mince plutôt chaud remplissant l'espace intergalactique.

Alors qu'une galaxie satellite orbite à travers l'amas à une vitesse de centaines de kilomètres par seconde, le gaz léger ferait ressentir le même genre de "vent de face" que quelqu'un qui fait du vélo rapide, ou moto, ressentira. Les étoiles de la galaxie satellite sont beaucoup trop compactes pour être affectées par le flux constant de gaz intergalactique venant en sens inverse.

Mais le propre gaz de la galaxie satellite ne l'est pas :il serait éliminé par le gaz chaud venant en sens inverse dans un processus connu sous le nom de "décapage par pression dynamique". D'autre part, une galaxie en mouvement rapide n'a aucune chance d'attirer une quantité suffisante de gaz intergalactique, pour reconstituer son réservoir de gaz. Le résultat est que ces galaxies satellites perdent presque complètement leur gaz et avec lui la matière première nécessaire à la formation des étoiles. Par conséquent, l'activité de formation d'étoiles serait éteinte.

Les processus en question se déroulent sur des millions voire des milliards d'années, nous ne pouvons donc pas les regarder se produire directement. Mais tout de même, il existe des moyens pour les astronomes d'en savoir plus. Ils peuvent utiliser des simulations informatiques d'univers virtuels, programmé de manière à suivre les lois pertinentes de la physique et à comparer les résultats avec ce que nous observons réellement. Et ils peuvent rechercher des indices révélateurs dans l'« instantané » complet de l'évolution cosmique fourni par les observations astronomiques.

Annalisa Pillepich, chef de groupe au Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), est spécialisé dans les simulations de ce type. La suite de simulations IllustrisTNG, que Pillepich a codirigé, fournit les univers virtuels les plus détaillés à ce jour, des univers dans lesquels les chercheurs peuvent suivre le mouvement du gaz à des échelles relativement petites.

IllustrisTNG fournit quelques exemples extrêmes de galaxies satellites qui ont été fraîchement dépouillées par la pression dynamique :ce qu'on appelle les « galaxies méduses, " qui traînent les restes de leur gaz comme les méduses traînent leurs tentacules. En fait, identifier toutes les méduses dans les simulations est un projet de science citoyenne récemment lancé sur la plateforme Zooniverse, où les volontaires peuvent aider à la recherche sur ce genre de galaxie fraîchement éteinte.

Mais, alors que les galaxies de méduses sont pertinentes, ce n'est pas là que le présent projet de recherche a commencé. Au déjeuner en novembre 2019, Pillepich a raconté un autre de ses résultats IllustrisTNG à Ignacio Martín-Navarro, un astronome spécialisé dans les observations, qui était à la MPIA grâce à une bourse Marie Curie. Un résultat sur l'influence des trous noirs supermassifs qui ont atteint au-delà de la galaxie hôte, dans l'espace intergalactique.

De tels trous noirs supermassifs peuvent être trouvés au centre de toutes les galaxies. La matière tombant sur un tel trou noir fait généralement partie d'un disque d'accrétion en rotation entourant le trou noir, avant de tomber dans le trou noir lui-même. Cette chute sur le disque d'accrétion libère une énorme quantité d'énergie sous forme de rayonnement, et souvent aussi sous la forme de deux jets de particules en mouvement rapide, qui accélèrent en s'éloignant du trou noir perpendiculairement au disque d'accrétion. Un trou noir supermassif qui émet de l'énergie de cette manière est appelé un noyau galactique actif, AGN en abrégé.

Bien qu'IllustrisTNG ne soit pas assez détaillé pour inclure les jets de trous noirs, il contient des termes physiques qui simulent comment un AGN ajoute de l'énergie au gaz environnant. Et comme la simulation l'a montré, que l'injection d'énergie entraînera des sorties de gaz, qui à leur tour s'orienteront le long d'un chemin de moindre résistance :dans le cas de galaxies à disques similaires à notre propre Voie lactée, perpendiculaire au disque stellaire; pour les galaxies dites elliptiques, perpendiculaire à un plan préféré approprié défini par l'arrangement des étoiles de la galaxie.

Heures supplémentaires, les sorties de gaz bipolaire, perpendiculaire au disque ou au plan préféré, ira jusqu'à affecter l'environnement intergalactique, le gaz mince entourant la galaxie. Ils repousseront le gaz intergalactique, chaque sortie créant une gigantesque bulle. C'est ce récit qui a fait réfléchir Pillepich et Martín-Navarro :si une galaxie satellite devait traverser cette bulle, serait-elle affectée par l'écoulement, et son activité de formation d'étoiles serait-elle encore plus étouffée ?

Martín-Navarro a abordé cette question dans son propre domaine. Il avait une vaste expérience du travail avec les données de l'une des plus grandes enquêtes systématiques à ce jour :le Sloan Digital Sky Survey (SDSS), qui fournit des images de haute qualité d'une grande partie de l'hémisphère nord. Dans les données accessibles au public des 10e données de cette enquête, il en a examiné 30, 000 groupes et amas de galaxies, contenant chacune une galaxie centrale et en moyenne 4 galaxies satellites.

Dans une analyse statistique de ces milliers de systèmes, il a trouvé un petit, mais une différence marquée entre les galaxies satellites qui étaient proches du plan préféré de la galaxie centrale et les satellites qui étaient nettement au-dessus et au-dessous. Mais la différence était dans la direction opposée à laquelle les chercheurs s'attendaient :des satellites au-dessus et au-dessous de l'avion, dans les bulles plus fines, n'étaient en moyenne pas plus susceptibles, mais environ 5% moins susceptibles d'avoir vu leur activité de formation d'étoiles éteinte.

Avec ce résultat surprenant, Martín-Navarro est retourné à Annalisa Pillepich, et les deux ont effectué le même type d'analyse statistique dans l'univers virtuel des simulations IllustrisTNG. Dans des simulations de ce genre, après tout, l'évolution cosmique n'est pas mise "à la main" par les chercheurs. Au lieu, le logiciel comprend des règles qui modélisent les règles de la physique pour cet univers virtuel aussi naturellement que possible, et qui incluent également des conditions initiales appropriées qui correspondent à l'état de notre propre univers peu après le Big Bang.

C'est pourquoi de telles simulations laissent place à l'inattendu - dans ce cas particulier, pour redécouvrir l'avion, distribution hors plan des galaxies satellites éteintes :L'univers virtuel a montré le même écart de 5% pour l'extinction des galaxies satellites ! Évidemment, les chercheurs étaient sur quelque chose.

À l'heure, Pilépich, Martín-Navarro et leurs collègues ont proposé une hypothèse pour le mécanisme physique derrière la variation d'extinction. Considérons une galaxie satellite voyageant à travers l'une des bulles amincies que le trou noir central a soufflées dans le milieu intergalactique environnant. En raison de la densité plus faible, cette galaxie satellite subit moins de vent contraire, moins de pression dynamique, et est donc moins susceptible d'avoir son gaz dépouillé.

Puis, il s'agit de statistiques. Pour les galaxies satellites qui ont déjà tourné plusieurs fois autour des mêmes galaxies centrales, traversant les bulles mais aussi les régions de plus haute densité entre les deux, l'effet ne sera pas perceptible. De telles galaxies auront perdu leur gaz depuis longtemps.

Mais pour les galaxies satellites qui ont rejoint le groupe, ou cluster, assez récemment, l'emplacement fera la différence :si ces satellites atterrissent d'abord dans une bulle, ils sont moins susceptibles de perdre leur gaz que s'ils atterrissent à l'extérieur d'une bulle. Cet effet pourrait expliquer la différence statistique pour les galaxies satellites éteintes.

Avec l'excellent accord entre les analyses statistiques des observations SDSS et des simulations IllustrisTNG, et avec une hypothèse plausible pour un mécanisme, c'est un résultat très prometteur. Dans le contexte de l'évolution des galaxies, il est particulièrement intéressant car il confirme, indirectement, le rôle des noyaux galactiques actifs non seulement pour chauffer le gaz intergalactique, mais activement "le repousser", pour créer des régions à plus faible densité. Et comme pour tous les résultats prometteurs, il y a maintenant un certain nombre de directions naturelles que soit Martín-Navarro, Pillepich et leurs collègues ou d'autres scientifiques peuvent prendre afin d'explorer plus avant.