Des observations à haute résolution avec l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ont imagé un tore de gaz poussiéreux en rotation autour d'un trou noir supermassif actif. L'existence de telles structures rotatives en forme de beignet a été suggérée pour la première fois il y a des décennies, mais c'est la première fois qu'on le confirme aussi clairement. Il s'agit d'une étape importante dans la compréhension de la co-évolution des trous noirs supermassifs et de leurs galaxies hôtes.

Presque toutes les galaxies contiennent des trous noirs monstrueux cachés en leur centre. Les chercheurs savent depuis longtemps que plus la galaxie est massive, plus le trou noir central est massif. Cela semble raisonnable au premier abord, mais les galaxies hôtes sont 10 milliards de fois plus grosses que les trous noirs centraux; il devrait être difficile pour deux objets d'échelles si différentes de s'affecter directement l'un l'autre. Alors comment une telle relation a-t-elle pu se développer ?

Visant à résoudre ce problème obscur, une équipe d'astronomes a utilisé la haute résolution d'ALMA pour observer le centre de la galaxie spirale M77. La région centrale de M77 est un "noyau galactique actif, " ou AGN, ce qui signifie que la matière tombe vigoureusement vers le trou noir supermassif central et émet une lumière intense. Les AGN peuvent fortement affecter le milieu environnant, ce sont donc des objets importants pour résoudre le mystère de la co-évolution des galaxies et des trous noirs.

L'équipe a photographié la zone autour du trou noir supermassif dans M77 et a résolu une structure gazeuse compacte avec un rayon de 20 années-lumière. Et, les astronomes ont découvert que la structure compacte tourne autour du trou noir, comme prévu.

"Pour interpréter diverses caractéristiques d'observation des AGN, les astronomes ont supposé des structures rotatives en forme de beignet de gaz poussiéreux autour de trous noirs supermassifs actifs. C'est ce qu'on appelle le « modèle unifié » d'AGN, " a expliqué Masatoshi Imanishi　 (Observatoire national d'astronomie du Japon), l'auteur principal d'un article publié dans le Lettres de revues astrophysiques . "Toutefois, le beignet gazeux poussiéreux est très petit en apparence. Avec la haute résolution d'ALMA, maintenant nous pouvons voir directement la structure."

De nombreux astronomes ont déjà observé le centre de M77, mais jamais la rotation du beignet de gaz autour du trou noir n'a été vue aussi clairement. Outre la résolution supérieure d'ALMA, la sélection des raies d'émission moléculaire à observer était la clé pour révéler la structure. L'équipe a observé une émission micro-onde spécifique des molécules de cyanure d'hydrogène (HCN) et des ions formyle (HCO+). Ces molécules n'émettent des micro-ondes que dans les gaz denses, alors que le monoxyde de carbone (CO) le plus fréquemment observé émet des micro-ondes dans diverses conditions. Le tore autour de l'AGN est supposé très dense, et la stratégie de l'équipe était juste.

"Des observations précédentes ont révélé l'allongement est-ouest du tore gazeux poussiéreux. La dynamique révélée par nos données ALMA concorde exactement avec l'orientation de rotation attendue du tore, " dit Imanishi.

De façon intéressante, la distribution du gaz autour du trou noir supermassif est beaucoup plus compliquée que ce que suggère un simple modèle unifié. Le tore semble avoir une asymétrie et la rotation ne suit pas seulement la gravité du trou noir mais contient également un mouvement très aléatoire. Ces faits pourraient indiquer que l'AGN a eu une histoire violente, incluant éventuellement une fusion avec une petite galaxie. Néanmoins, l'identification du tore tournant est une étape importante.

La Voie Lactée, où nous vivons, a également un trou noir supermassif en son centre. Ce trou noir est, cependant, dans un état très calme. Seule une infime quantité de gaz s'y accumule. Par conséquent, pour enquêter sur un AGN en détail, les astronomes doivent observer les centres des galaxies lointaines. M77 est l'un des AGN les plus proches et un objet approprié pour scruter le centre même en détail.