Les astronomes qui étudient l'évolution des galaxies ont longtemps lutté pour comprendre ce qui provoque l'arrêt de la formation d'étoiles dans les galaxies massives. Bien que de nombreuses théories aient été proposées pour expliquer ce processus, connu sous le nom de « trempe, " il n'y a toujours pas de consensus sur un modèle satisfaisant.

Maintenant, une équipe internationale dirigée par Sandra Faber, professeur émérite d'astronomie et d'astrophysique à l'UC Santa Cruz, a proposé un nouveau modèle qui explique avec succès un large éventail d'observations sur la structure des galaxies, trous noirs supermassifs, et l'extinction de la formation d'étoiles. Les chercheurs ont présenté leurs conclusions dans un article publié le 1er juillet dans le Journal d'astrophysique .

Le modèle prend en charge l'une des principales idées sur l'extinction qui l'attribue au "feedback" du trou noir, " l'énergie libérée dans une galaxie et ses environs à partir d'un trou noir supermassif central lorsque la matière tombe dans le trou noir et alimente sa croissance. Cette rétroaction énergétique chauffe, éjecte, ou perturbe autrement l'approvisionnement en gaz de la galaxie, empêchant l'arrivée de gaz du halo de la galaxie pour alimenter la formation d'étoiles.

"L'idée est que dans les galaxies stellaires, le trou noir central est comme un parasite qui finit par croître et tue l'hôte, " expliqua Faber. " Cela a déjà été dit, mais nous n'avons pas de règles claires à dire quand un trou noir est assez gros pour arrêter la formation d'étoiles dans sa galaxie hôte, et maintenant nous avons des règles quantitatives qui fonctionnent réellement pour expliquer nos observations."

L'idée de base implique la relation entre la masse des étoiles dans une galaxie (masse stellaire), à quel point ces étoiles sont-elles réparties (le rayon de la galaxie), et la masse du trou noir central. Pour les galaxies en formation d'étoiles avec une masse stellaire donnée, la densité des étoiles au centre de la galaxie est en corrélation avec le rayon de la galaxie de sorte que les galaxies avec des rayons plus grands ont des densités stellaires centrales plus faibles. En supposant que la masse du trou noir central varie avec la densité stellaire centrale, les galaxies en formation d'étoiles avec des rayons plus grands (à une masse stellaire donnée) auront des masses de trous noirs plus faibles.

Qu'est-ce que cela signifie, Faber a expliqué, est que les galaxies plus grandes (celles avec des rayons plus grands pour une masse stellaire donnée) doivent évoluer davantage et construire une masse stellaire plus élevée avant que leurs trous noirs centraux puissent devenir suffisamment grands pour éteindre la formation d'étoiles. Ainsi, les galaxies à petit rayon s'éteignent à des masses inférieures à celles des galaxies à grand rayon.

"C'est la nouvelle idée, que si les galaxies avec de grands rayons ont des trous noirs plus petits à une masse stellaire donnée, et si la rétroaction du trou noir est importante pour l'extinction, alors les galaxies à grand rayon doivent évoluer davantage, " dit-elle. " Si vous rassemblez toutes ces hypothèses, étonnamment, vous pouvez reproduire un grand nombre de tendances observées dans les propriétés structurelles des galaxies."

Ceci explique, par exemple, pourquoi les galaxies éteintes plus massives ont des densités stellaires centrales plus élevées, rayons plus grands, et des trous noirs centraux plus grands.

Sur la base de ce modèle, les chercheurs ont conclu que l'extinction commence lorsque l'énergie totale émise par le trou noir est environ quatre fois l'énergie de liaison gravitationnelle du gaz dans le halo galactique. L'énergie de liaison fait référence à la force gravitationnelle qui retient le gaz dans le halo de matière noire enveloppant la galaxie. L'extinction est complète lorsque l'énergie totale émise par le trou noir est vingt fois supérieure à l'énergie de liaison du gaz dans le halo galactique.

Faber a souligné que le modèle n'explique pas encore en détail les mécanismes physiques impliqués dans l'extinction de la formation d'étoiles. "Les processus physiques clés qu'évoque cette théorie simple ne sont pas encore compris, " dit-elle. " La vertu de ceci, bien que, est qu'avoir des règles simples pour chaque étape du processus met les théoriciens au défi de proposer des mécanismes physiques qui expliquent chaque étape. »

Les astronomes ont l'habitude de penser en termes de diagrammes qui tracent les relations entre les différentes propriétés des galaxies et montrent comment elles évoluent dans le temps. Ces diagrammes révèlent les différences spectaculaires de structure entre les galaxies en formation d'étoiles et les galaxies éteintes et les frontières nettes entre elles. Parce que la formation d'étoiles émet beaucoup de lumière à l'extrémité bleue du spectre de couleurs, les astronomes se réfèrent aux galaxies "bleues" à formation d'étoiles, galaxies "rouges" au repos, et la « vallée verte » comme transition entre eux. Le stade dans lequel se trouve une galaxie est révélé par son taux de formation d'étoiles.

L'une des conclusions de l'étude est que le taux de croissance des trous noirs doit changer à mesure que les galaxies évoluent d'une étape à l'autre. Les preuves d'observation suggèrent que la majeure partie de la croissance des trous noirs se produit dans la vallée verte lorsque les galaxies commencent à s'éteindre.

"Le trou noir semble se déchaîner au moment où la formation d'étoiles ralentit, " a déclaré Faber. " Ce fut une révélation, car cela explique pourquoi les masses des trous noirs dans les galaxies en formation d'étoiles suivent une loi d'échelle, tandis que les trous noirs dans les galaxies éteintes suivent une autre loi d'échelle. Cela a du sens si la masse du trou noir augmente rapidement dans la vallée verte."

Faber et ses collaborateurs discutent de ces questions depuis de nombreuses années. Depuis 2010, Faber a codirigé un important programme d'étude des galaxies du télescope spatial Hubble (CANDELS, le Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey), qui a produit les données utilisées dans cette étude. En analysant les données CANDELS, elle a travaillé en étroite collaboration avec une équipe dirigée par Joel Primack, professeur émérite de physique à l'UCSC, qui a développé la simulation cosmologique du Bolchoï de l'évolution des halos de matière noire dans lesquels se forment les galaxies. Ces halos fournissent l'échafaudage sur lequel la théorie construit la première phase de formation d'étoiles de l'évolution des galaxies avant l'extinction.

Les idées centrales de l'article ont émergé des analyses des données CANDELS et ont frappé Faber pour la première fois il y a environ quatre ans. "Cela m'est soudainement tombé dessus, et j'ai réalisé que si nous rassemblions toutes ces choses - si les galaxies avaient une trajectoire simple en rayon par rapport à la masse, et si l'énergie du trou noir doit surmonter l'énergie de liaison du halo, cela peut expliquer toutes ces limites inclinées dans les diagrammes structuraux des galaxies, " elle a dit.

À l'époque, Faber faisait de fréquents voyages en Chine, où elle a été impliquée dans des collaborations de recherche et d'autres activités. Elle a été professeur invité à l'Université normale de Shanghai, où elle a rencontré le premier auteur Zhu Chen. Chen est arrivé à l'UC Santa Cruz en 2017 en tant que chercheur invité et a commencé à travailler avec Faber pour développer ces idées sur l'extinction des galaxies.

"Elle est mathématiquement très bonne, meilleur que moi, et elle a fait tous les calculs pour ce papier, " dit Faber.

Faber a également crédité son collaborateur de longue date David Koo, professeur émérite d'astronomie et d'astrophysique à l'UCSC, pour avoir d'abord attiré l'attention sur les densités centrales des galaxies en tant que clé de la croissance des trous noirs centraux.

Parmi les énigmes expliquées par ce nouveau modèle se trouve une différence frappante entre notre galaxie de la Voie Lactée et sa voisine très similaire Andromède. "La Voie lactée et Andromède ont presque la même masse stellaire, mais le trou noir d'Andromède est presque 50 fois plus gros que celui de la Voie lactée, " a déclaré Faber. " L'idée que les trous noirs se développent beaucoup dans la vallée verte contribue grandement à expliquer ce mystère. La Voie lactée vient d'entrer dans la vallée verte et son trou noir est encore petit, alors qu'Andromède vient de sortir donc son trou noir est devenu beaucoup plus gros, et elle est aussi plus éteinte que la Voie Lactée."