Trous noirs supermassifs, pesant des millions voire des milliards de fois la masse de notre Soleil, ne représentent encore qu'une infime fraction de la masse des galaxies qu'ils habitent. Mais dans certains cas, le trou noir central est la queue qui remue le chien. Il semble que les trous noirs puissent être chauds ou froids lorsqu'il s'agit d'améliorer ou d'étouffer la naissance d'étoiles à l'intérieur d'un amas de galaxies.

Typiquement, trous noirs géants, pomper de l'énergie via des jets, garder le gaz interstellaire trop chaud pour se condenser et former des étoiles. Maintenant, les astronomes ont trouvé un amas de galaxies, appelé le cluster Phoenix, où les étoiles se forment à un rythme effréné à cause de l'influence du trou noir. Ce turboboost stellaire est apparemment lié à des jets moins énergétiques provenant d'un trou noir central qui n'augmentent pas la température du gaz. Au lieu, le gaz perd de l'énergie lorsqu'il brille aux rayons X. Le gaz se refroidit jusqu'à former un grand nombre d'étoiles à une vitesse époustouflante. Où notre Voie Lactée forme une étoile par an en moyenne, des étoiles nouveau-nées sortent de ce gaz froid à un rythme d'environ 500 masses solaires par an dans l'amas de Phoenix.

Percer ce mystère a nécessité la puissance combinée du télescope spatial Hubble de la NASA, L'observatoire à rayons X Chandra de la NASA, et l'observatoire radio Very Large Array (VLA) près de Socorro, Nouveau Mexique.

Les données radio VLA révèlent des jets explosant à proximité du trou noir central. Ces jets ont gonflé des bulles dans le gaz chaud qui sont détectées dans les rayons X par Chandra. Hubble résout les filaments bleu vif des étoiles nouveau-nées dans les cavités entre le jet chaud et les nuages ​​de gaz. Alors que le trou noir est devenu plus massif et plus puissant, son influence s'est accrue.

Les astronomes ont confirmé le premier exemple d'un amas de galaxies où un grand nombre d'étoiles naissent en son cœur. En utilisant les données des télescopes spatiaux de la NASA et d'un observatoire radio de la National Science Foundation, les chercheurs ont rassemblé de nouveaux détails sur la façon dont les trous noirs les plus massifs de l'univers affectent leurs galaxies hôtes.

Les amas de galaxies sont les plus grandes structures du cosmos qui sont maintenues ensemble par la gravité, constitué de centaines ou de milliers de galaxies noyées dans des gaz chauds, ainsi que la matière noire invisible. Les plus grands trous noirs supermassifs connus se trouvent dans les galaxies au centre de ces amas.

Depuis des décennies, les astronomes ont recherché des amas de galaxies contenant de riches pépinières d'étoiles dans leurs galaxies centrales. Au lieu, ils ont trouvé puissant, des trous noirs géants pompant de l'énergie à travers des jets de particules à haute énergie et gardant le gaz trop chaud pour former de nombreuses étoiles.

Maintenant, les scientifiques ont des preuves convaincantes d'un amas de galaxies où les étoiles se forment à un rythme effréné, apparemment lié à un trou noir moins efficace en son centre. Dans ce cluster unique, les jets du trou noir central semblent plutôt aider à la formation d'étoiles. Les chercheurs ont utilisé de nouvelles données de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA et du télescope spatial Hubble, et le Karl Jansky Very Large Array (VLA) de la NSF pour s'appuyer sur les observations précédentes de cet amas.

"C'est un phénomène que les astronomes essayaient de trouver depuis longtemps, " a déclaré Michael McDonald, astronome au Massachusetts Institute of Technology (MIT), qui a dirigé l'étude. « Ce cluster démontre que, dans certains cas, la sortie énergétique d'un trou noir peut en fait améliorer le refroidissement, entraînant des conséquences dramatiques."

Le trou noir est au centre d'un amas de galaxies appelé Phoenix Cluster, situé à environ 5,8 milliards d'années-lumière de la Terre dans la constellation de Phoenix. La grande galaxie hébergeant le trou noir est entourée de gaz chauds avec des températures de millions de degrés. La masse de ce gaz, équivalent à des milliards de soleils, est plusieurs fois supérieure à la masse combinée de toutes les galaxies de l'amas.

Ce gaz chaud perd de l'énergie lorsqu'il brille aux rayons X, ce qui devrait le faire refroidir jusqu'à ce qu'il puisse former un grand nombre d'étoiles. Cependant, dans tous les autres amas de galaxies observés, les sursauts d'énergie entraînés par un tel trou noir empêchent la plupart des gaz chauds de se refroidir, empêchant la naissance généralisée des étoiles.

"Imaginez faire fonctionner un climatiseur dans votre maison par une journée chaude, mais ensuite allumer un feu de bois. Votre salon ne peut pas se refroidir correctement tant que vous n'avez pas éteint le feu, " a déclaré le co-auteur Brian McNamara de l'Université de Waterloo au Canada. " De même, lorsque la capacité de chauffage d'un trou noir est désactivée dans un amas de galaxies, le gaz peut alors refroidir."

Des preuves de la formation rapide d'étoiles dans l'amas de Phoenix avaient déjà été rapportées en 2012 par une équipe dirigée par McDonald. Mais des observations plus approfondies étaient nécessaires pour apprendre des détails sur le rôle du trou noir central dans la renaissance des étoiles dans la galaxie centrale, et comment cela pourrait changer à l'avenir.

En combinant de longues observations en rayons X, optique, et lumière radio, les chercheurs ont obtenu une amélioration de dix fois de la qualité des données par rapport aux observations précédentes. Les nouvelles données de Chandra révèlent que le gaz chaud se refroidit presque à la vitesse attendue en l'absence d'énergie injectée par un trou noir. Les nouvelles données de Hubble montrent qu'environ 10 milliards de masses solaires de gaz froid sont situées le long des filaments menant vers le trou noir, et de jeunes étoiles se forment à partir de ce gaz froid à un rythme d'environ 500 masses solaires par an. Par comparaison, des étoiles se forment dans la Voie lactée à un rythme d'environ une masse solaire par an.

Les données radio VLA révèlent des jets explosant à proximité du trou noir central. Ces jets ont probablement gonflé des bulles dans le gaz chaud détectées dans les données Chandra. Les jets et les bulles sont la preuve de la croissance rapide passée du trou noir. Au début de cette croissance, le trou noir a peut-être été sous-dimensionné, par rapport à la masse de sa galaxie hôte, ce qui permettrait un refroidissement rapide sans contrôle.

"Autrefois, les explosions du trou noir sous-dimensionné peuvent avoir été tout simplement trop faibles pour chauffer son environnement, laisser le gaz chaud commencer à refroidir, " a déclaré le co-auteur Matthew Bayliss, qui était chercheur au MIT lors de cette étude, mais a récemment rejoint la faculté de l'Université de Cincinnati. "Mais comme le trou noir est devenu plus massif et plus puissant, son influence s'est accrue."

Le refroidissement peut se poursuivre lorsque le gaz est emporté du centre de l'amas par les explosions du trou noir. A une plus grande distance de l'influence chauffante du trou noir, le gaz se refroidit plus vite qu'il ne peut retomber vers le centre de l'amas. Ce scénario explique l'observation que le gaz froid se situe autour des bords des cavités, sur la base d'une comparaison des données Chandra et Hubble.

Finalement, l'explosion générera suffisamment de turbulences, ondes sonores et ondes de choc (similaires aux bangs soniques produits par les avions supersoniques) pour fournir des sources de chaleur et empêcher un refroidissement supplémentaire. Cela continuera jusqu'à ce que l'explosion cesse et que l'accumulation de gaz froid puisse recommencer. Le cycle entier peut alors se répéter.

"Ces résultats montrent que le trou noir a temporairement aidé à la formation d'étoiles, mais quand il se renforcera, ses effets commenceront à imiter ceux des trous noirs dans d'autres amas, étouffant plus de naissance d'étoiles, " a déclaré le co-auteur Mark Voit de la Michigan State University à East Lansing, Michigan.

L'absence d'objets similaires montre que les amas et leurs énormes trous noirs traversent la phase de formation rapide d'étoiles relativement rapidement.

Un article décrivant ces résultats a été publié dans un récent numéro de The Journal d'astrophysique , et une préimpression est disponible en ligne.