Résumé :
Pendant des décennies, la communauté astronomique a été intriguée par un profond mystère au centre des galaxies massives : puisque les puissants jets émis par les trous noirs supermassifs chauffent le gaz environnant qui est censé servir de « nutriments », comment continuent-ils à s'approvisionner et à maintenir leur « alimentation » ? Aujourd'hui, les dernières images d'observation renvoyées par le télescope spatial James Webb (JWST) fournissent la preuve directe la plus claire de ce processus à ce jour, marquant une étape importante pour les astronomes dans la résolution de ce mystère.
Cette recherche collaborative internationale publiée dans The Astrophysical Journal Letters a été dirigée par l'Université de Montréal au Canada et a participé à l'Université de Michigan State aux États-Unis et à d'autres institutions. L'équipe de recherche a jeté son dévolu sur NGC 4696, la galaxie elliptique située au centre de l'amas de galaxies du Centaure, à environ 145 millions d'années-lumière de la Terre. Cet amas de galaxies dense constitue un excellent laboratoire naturel permettant à la communauté astronomique d'étudier le fonctionnement des noyaux galactiques actifs (AGN).
Au centre de presque toutes les grandes galaxies se cache un trou noir supermassif dont la masse est des millions, voire des milliards de fois celle du soleil. Lorsqu’ils dévorent violemment la matière environnante, ils forment des noyaux galactiques actifs et libèrent en même temps des jets étonnamment puissants de haute énergie vers l’extérieur. Ces jets non seulement remodèlent la galaxie hôte et inhibent la naissance de nouvelles étoiles, mais dominent également l’évolution de la galaxie entière. Cependant, cette activité intense déclenche également ce que l'on appelle le « paradoxe de l'alimentation » : le jet chauffe continuellement le gaz autour du trou noir et finira en théorie par couper complètement l'approvisionnement en matières premières nécessaires à la survie et à la croissance du trou noir.
L'hypothèse académique dominante est qu'une partie du gaz chauffé se refroidira et se condensera au fil du temps en fines structures filamenteuses et retombera au centre de la galaxie, formant ainsi un cycle de matière « autorégulé » qui permettra au trou noir de reconstituer son carburant tout en détruisant l'environnement. Afin de vérifier cette hypothèse, l’équipe de recherche a utilisé le spectromètre infrarouge proche du télescope Webb (NIRSpec) pour effectuer des observations approfondies pendant près de 8 heures et a réussi à suivre le mouvement du gaz en profondeur dans la sphère gravitationnelle du trou noir.
Dans le contexte de galaxies s'étendant sur des centaines de milliers d'années-lumière, le télescope Webb a démontré un pouvoir de résolution incroyable, analysant avec précision des structures microscopiques à une échelle d'environ 30 années-lumière seulement. Les spectres d'observation et les images montrent que le vortex en "S" précédemment observé au centre est en réalité un disque de gaz d'un diamètre de près de 800 années-lumière et tournant à grande vitesse autour du trou noir. La matière contenue dans le disque se déplace à une vitesse pouvant atteindre 600 kilomètres par seconde.
Ce qui est encore plus révolutionnaire, c'est que le disque rotatif est directement connecté aux énormes filaments de gaz qui s'étendent dans la galaxie. Les données montrent clairement que le gaz s'écoule vers l'intérieur le long de ces filaments, qui mesurent des centaines d'années-lumière de diamètre et des milliers d'années-lumière de long, directement dans le disque d'accrétion rotatif qui alimente le trou noir. Le champ magnétique joue un rôle clé dans ce processus, ralentissant la rotation du gaz tombant et guidant le matériau vers l’intérieur. Le trou noir éclate alors en un autre jet, permettant au cycle d’autosuffisance de se poursuivre encore et encore.
Des simulations numériques informatiques avancées ont également confirmé ce modèle à partir de dimensions indépendantes. Le comportement dynamique du gaz dans la simulation correspond étroitement à la scène réelle capturée par le télescope Webb. Les chercheurs ont souligné que les calculs théoriques prédisaient à l’origine que les champs magnétiques guideraient le gaz froid vers des trous noirs géants. Cependant, grâce à la résolution sans précédent du télescope Webb, ce cycle cosmique qui était depuis longtemps sur papier a été entièrement présenté aux yeux humains.
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