Image ALMA du gaz autour du trou noir supermassif au centre de la galaxie Circinus. Les distributions du gaz moléculaire CO et du gaz atomique C sont indiquées en orange et cyan, respectivement. Crédit :ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Izumi et al.
Sur la base de simulations informatiques et de nouvelles observations de l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), les chercheurs ont découvert que les anneaux de gaz entourant les trous noirs supermassifs actifs ne sont pas de simples formes de beignet. Au lieu, le gaz expulsé du centre interagit avec le gaz entrant pour créer un modèle de circulation dynamique, semblable à une fontaine d'eau dans un parc de la ville.
La plupart des galaxies hébergent un trou noir supermassif, des millions ou des milliards de fois plus lourd que le Soleil, dans leurs centres. Certains de ces trous noirs avalent de la matière assez activement. Mais les astronomes ont cru qu'au lieu de tomber directement dans le trou noir, la matière s'accumule plutôt autour du trou noir actif formant une structure de beignet.
Takuma Izumi, chercheur à l'Observatoire national d'astronomie du Japon (NAOJ), a dirigé une équipe d'astronomes qui a utilisé ALMA pour observer le trou noir supermassif dans la galaxie Circinus situé à 14 millions d'années-lumière de la Terre dans la direction de la constellation Circinus. L'équipe a ensuite comparé leurs observations à une simulation informatique de gaz tombant vers un trou noir réalisée avec le supercalculateur Cray XC30 ATERUI exploité par NAOJ. Cette comparaison a révélé que le "beignet" présumé n'est pas en réalité une structure rigide, mais à la place une collection complexe de composants gazeux hautement dynamiques. D'abord, le gaz moléculaire froid tombant vers le trou noir forme un disque près du plan de rotation. À l'approche du trou noir, ce gaz est chauffé jusqu'à ce que les molécules se décomposent en atomes et ions composants. Certains de ces atomes sont ensuite expulsés au-dessus et au-dessous du disque, plutôt que d'être absorbé par le trou noir. Ce gaz atomique chaud retombe sur le disque créant une structure tridimensionnelle turbulente. Ces trois composants circulent en continu, semblable à une fontaine d'eau dans un parc de la ville.
Vue d'artiste du mouvement du gaz autour du trou noir supermassif au centre de la galaxie Circinus. Les trois composants gazeux forment la structure de « donut » longtemps théorisée :(1) un disque de gaz moléculaire froid dense en chute libre, (2) s'écoulant du gaz atomique chaud, et (3) le gaz revenant au disque. Crédit :NAOJ
"Les modèles théoriques précédents établissent des hypothèses a priori de beignets rigides, " explique Keiichi Wada, un théoricien à l'université de Kagoshima au Japon, qui dirige l'étude de simulation et est membre de l'équipe de recherche. "Plutôt que de partir d'hypothèses, notre simulation est partie des équations physiques et a montré pour la première fois que la circulation du gaz forme naturellement un beignet. Notre simulation peut également expliquer diverses caractéristiques d'observation du système."
"En étudiant le mouvement et la distribution du gaz moléculaire froid et du gaz atomique chaud avec ALMA, nous avons démontré l'origine de la structure dite "donut" autour des trous noirs actifs, " dit Izumi. " Sur la base de cette découverte, nous devons réécrire les manuels d'astronomie."
Coupe transversale du gaz autour d'un trou noir supermassif simulé avec le supercalculateur ATERUI du NAOJ. Les différentes couleurs représentent la densité du gaz, et les flèches montrent le mouvement du gaz. Il montre clairement les trois composants gazeux formant la structure « donut ». Crédit :Wada et al.
