Cette image composite montre de puissants jets radio du trou noir supermassif au centre d'une galaxie dans l'amas de Phoenix gonflant d'énormes "bulles" dans le chaud, gaz ionisé entourant la galaxie. Les cavités à l'intérieur de la région bleue ont été imagées par l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA. Serrant l'extérieur de ces bulles, ALMA a découvert une mine inattendue de gaz froid, le carburant pour la formation des étoiles (rouge). L'image d'arrière-plan provient du télescope spatial Hubble. Crédit :ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) H.Russell, et al.; NASA/ESA Hubble; NASA/CXC/MIT/M.McDonald et al.; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)
L'amas de Phoenix est une énorme accumulation d'environ 1, 000 galaxies, situé à 5,7 milliards d'années-lumière de la Terre. En son centre se trouve une galaxie massive, qui semble cracher des étoiles à un rythme d'environ 1, 000 par an. La plupart des autres galaxies de l'univers sont beaucoup moins productives, n'égratignant que quelques étoiles chaque année, et les scientifiques se sont demandé ce qui a alimenté la sortie stellaire extrême de l'amas de Phoenix.
Maintenant, des scientifiques du MIT, l'Université de Cambridge, et ailleurs peut avoir une réponse. Dans un article publié aujourd'hui dans le Journal d'astrophysique , l'équipe rapporte avoir observé des jets de chaud, Du gaz à 10 millions de degrés s'échappe du trou noir de la galaxie centrale et souffle de grosses bulles dans le plasma environnant.
Ces jets agissent normalement pour éteindre la formation d'étoiles en soufflant du gaz froid, le principal carburant qu'une galaxie consomme pour générer des étoiles. Cependant, les chercheurs ont découvert que les jets chauds et les bulles émanant du centre de l'amas de Phoenix peuvent également avoir l'effet inverse de produire du gaz froid, qui à son tour retombe sur la galaxie, alimentant de nouvelles rafales d'étoiles. Cela suggère que le trou noir a trouvé un moyen de recycler une partie de son gaz chaud en froid, carburant de fabrication d'étoiles.
"Nous avons pensé que le rôle des jets et des bulles de trous noirs était de réguler la formation d'étoiles et d'empêcher le refroidissement de se produire, " dit Michael McDonald, professeur adjoint de physique à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT. "Nous pensions en quelque sorte qu'ils étaient des poneys à un tour, mais maintenant nous voyons qu'ils peuvent réellement aider au refroidissement, et ce n'est pas une image aussi tranchée."
Les nouvelles découvertes aident à expliquer la puissance exceptionnelle de production d'étoiles de l'amas de Phoenix. Ils peuvent également fournir de nouvelles informations sur la façon dont les trous noirs supermassifs et leurs galaxies hôtes se développent et évoluent mutuellement.
Les co-auteurs de McDonald's incluent l'auteur principal Helen Russell, un astronome à l'université de Cambridge; et d'autres de l'Université de Waterloo, le Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian, l'Université de l'Illinois, et ailleurs.
Une image ALMA d'un gaz moléculaire froid au cœur du pôle Phoenix. Les filaments s'étendant du centre étreignent d'énormes bulles radio créées par les jets d'un trou noir supermassif. Cette découverte met en lumière la relation complexe entre un trou noir supermassif et sa galaxie hôte. Crédit :ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), H. Russell et al.; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)
Jets chauds, filaments froids
L'équipe a analysé les observations de l'amas Phoenix recueillies par l'Atacama Large Millimeter Array (ALMA), une collection de 66 grands radiotélescopes répartis dans le désert du nord du Chili. En 2015, le groupe a obtenu l'autorisation de diriger les télescopes de l'amas de Phoenix pour mesurer ses émissions radio et détecter et cartographier les signes de gaz froid.
Les chercheurs ont examiné les données pour les signaux de monoxyde de carbone, un gaz qui est présent partout où il y a de l'hydrogène gazeux froid. Ils ont ensuite converti les émissions de monoxyde de carbone en hydrogène gazeux, pour générer une carte des gaz froids près du centre de l'amas de Phoenix. L'image résultante était une surprise déroutante.
"Vous vous attendriez à voir un nœud de gaz froid au centre, où se produit la formation des étoiles, " dit McDonald. " Mais nous avons vu ces filaments géants de gaz froid qui s'étendent sur 20, 000 années-lumière du trou noir central, au-delà de la galaxie centrale elle-même. C'est plutôt beau à voir."
Il s'agit d'une impression d'artiste de la galaxie au centre de l'amas de Phoenix. Les puissants jets radio du trou noir supermassif au centre de la galaxie créent des bulles radio géantes (bleues) dans le gaz ionisé entourant la galaxie. ALMA a détecté du gaz moléculaire froid (rouge) étreignant l'extérieur des bulles. Ce matériau pourrait éventuellement tomber dans la galaxie où il pourrait alimenter la future naissance d'étoiles et alimenter le trou noir supermassif. Crédit :B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)
L'équipe avait déjà utilisé l'observatoire Chandra X-Ray de la NASA pour cartographier les gaz chauds de l'amas. Ces observations ont produit une image dans laquelle de puissants jets sont sortis du trou noir à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Plus loin, les chercheurs ont vu que les jets gonflaient des bulles géantes dans le gaz chaud.
Lorsque l'équipe a superposé son image du gaz froid de l'amas de Phoenix sur la carte des gaz chauds, ils ont trouvé une "correspondance spatiale parfaite":Les longs filaments de glacial, Du gaz de 10 kelvins semblait être drapé sur les bulles de gaz chaud.
"C'est peut-être la meilleure image que nous ayons des trous noirs influençant le gaz froid, ", dit McDonald.
Nourrir le trou noir
Ce que pensent les chercheurs, c'est que, comme le jet gonfle des bulles de chaud, gaz à 10 millions de degrés près du trou noir, ils traînent derrière eux un sillage un peu plus frais, Gaz à 1 million de degrés. Les bulles finissent par se détacher des jets et flottent plus loin dans l'amas de galaxies, où la traînée de gaz de chaque bulle se refroidit, formant de longs filaments de gaz extrêmement froid qui se condensent et retombent sur le trou noir comme combustible pour la formation d'étoiles.
"C'est une idée très nouvelle que les bulles et les jets peuvent réellement influencer la distribution du gaz froid de quelque manière que ce soit, ", dit McDonald.
Les scientifiques ont estimé qu'il y a suffisamment de gaz froid près du centre de l'amas de Phoenix pour continuer à produire des étoiles à un rythme élevé pendant encore 30 à 40 millions d'années. Maintenant que les chercheurs ont identifié un nouveau mécanisme de rétroaction qui pourrait fournir au trou noir encore plus de gaz froid, la sortie stellaire du cluster peut continuer beaucoup plus longtemps.
"Tant qu'il y a du gaz froid pour l'alimenter, le trou noir continuera à faire roter ces jets, " dit McDonald. " Mais maintenant, nous avons découvert que ces jets produisent plus de nourriture, ou gaz froid. Donc tu es dans ce cycle qui, en théorie, pourrait durer très longtemps."
Il soupçonne que la raison pour laquelle le trou noir est capable de générer du carburant pour lui-même pourrait avoir quelque chose à voir avec sa taille. Si le trou noir est relativement petit, il peut produire des jets trop faibles pour évacuer complètement le gaz froid de la grappe.
« En ce moment [le trou noir] est peut-être assez petit, et ce serait comme mettre un civil sur le ring avec Mike Tyson, ", dit McDonald. "Ce n'est tout simplement pas à la hauteur de souffler ce gaz froid assez loin pour qu'il ne revienne jamais."
L'équipe espère déterminer la masse du trou noir, ainsi que d'identifier d'autres, des créateurs d'étoiles aussi extrêmes dans l'univers.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
