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    Trous noirs géants - Comment ils naissent au coeur des galaxies  
    Emilie Martin - Ciel & Espace, no. 502 - 2012-03-01      
    Les trous noirs géants naissent-ils au sein des galaxies ?
Ou bien les galaxies s'assemblent-elles autour des trous noirs ?
 
    A cette question de la poule et de l'oeuf, longtemps restée mystérieuse, les astronomes répondent aujourd'hui par une solution médiane : l'astre ultradense qui trône au coeur de toute galaxie grandit avec son hôte, Voici comment.  
   

C'est désormais établi : chaque galaxie évoluée abrite en son coeur un trou noir géant, astre ultracompact mais d'une masse gigantesque. Cette vue d'artiste représente celui au centre de la galaxie d'Andromède.

 
    Qui suis-je ? Tapi au coeur des galaxies, je suis des millions, voire des milliards de fois plus massif que le Soleil. Si d'aventure une étoile s'égare dans mon voisinage, je l'engloutis sans merci Et lorsque je me nourris en abondance, je rayonne intensément et forme autour de moi ce que l'on nomme un quasar, l'objet le plus lumineux de l'Univers, je suis un trou noir géant.  
    Plus difficile : quelle est mon origine ? Suis-je né de l'effondrement d'un nuage de gaz monumental, avant même qu'une galaxie ne se forme autour de moi ? Ou bien des milliards d'années plus tard, engendré par l'un de ces vastes ensembles stellaires tout à fait constitués ? À cette délicate question de la poule et de l'oeuf, les astronomes répondent aujourd'hui par une solution médiane : les trous noirs super massifs naissent et évoluent de concert avec leur galaxie hôte.  
    C'est une observation déconcertante qui a inspiré ce scénario alternatif. Au milieu des années 1990, le télescope spatial Hubble est utilisé pour "peser" à la fois la partie centrale (le "bulbe") des galaxies proches et le trou noir supermassif qu'elles abritent en leur cœur. Le résultat est surprenant : la masse du trou noir et celle du bulbe apparaissent proportionnelles. Le bulbe est en moyenne 700 fois plus massif que le trou noir, Coïncidence ? Erreur dans les mesures ? Non : les observations sont solides et cette proportionnalité suggère qu'au sein d'une galaxie, trou noir et bulbe grandissent ensemble.  
    Restait à effectuer des mesures similaires dans le cosmos lointain, histoire de vérifier que cette symbiose existait déjà dans la jeunesse de l'Univers. Ce que se sont employées à faire plusieurs équipes ces dernières années. Tout récemment, en 2011, Dominik Riechers, du Caltech, l'a réalisé sur une galaxie très lointaine, observée lorsque l'Univers était âgé de seulement 1 milliard d'années, révèle Françoise Combes, spécialiste des galaxies à l'observatoire de Paris-Meudon. Et, quels que soient l'équipe à la maneouvre et l'instrument mobilisé, les mesures affichent le même résultat : la masse du bulbe galactique vaut en moyenne 700 fois celle du trou noir central.  
    Plus de doute possible : les deux entités ont bel et bien évolué en totale symbiose pendant des milliards d'années. Il faut en conclure qu'au début de l'Univers, les galaxies naissantes (ou protogalaxies) étaient probablement déjà garnies d'un embryon de trou noir, c'est-à-dire d'un trou noir "de masse intermédiaire" comprise entre 100 et 100'000 fois celle du Soleil.  
   

Un trou noir, c'est quoi ?

 
   

Tout astre dans l'Univers - étoile, planète, galaxie" - déforme l'espace-temps du fait de sa masse, Si l'espace-temps n'avait que deux dimensions, comme sur ce schéma, un astre y créerait un creux d'autant plus important que sa masse est grande.

 
   

Un trou noir est si dense (chaque centimètre cube "pèse" des milliards de tonnes) que sa masse déforme l'espace-temps à [extrême, Au-delà d'une limite théorique appelée horizon, toute matière ou lumière qui s'approche de ce "puits" cosmique, est piégée par sa puissante gravitation.

 
   

Lexique

 
Quasar   Un quasar [du terme anglais quasi stellar object, "objet quasi stallaire"] est la manifestation lumineuse d'un trou noir supermassif. Il est dû à la matière accumulée autour du trou noir et qui rayonne intensément en rayons X. Les quasars sont la seconde source de lumière de l'Univers, après les étoiles.  
Sagittarius A*   Sagittarius A* est une source intense de rayonnements radio située au centre de la Voie lactée, dans la constellation du Sagittaire. Le mouvement des étoiles autour de Sgr A* révéla, à la fin des années 1990, qu'il s'agissait d'un trou noir supermassif.  
Univers jeune   Plus on regarde loin dans l'Univers, plus on voit celui-ci jeune, La raison : la lumière ne voyage pas de façon instantanée, mais à une vitesse de 300'000 km/seconde, quand on regarde aux confins du cosmos, on voit l'univers te1 qu'il était quand la lumière observée a été émise, et non tel qu'il est à présent.  
   

Des graines dans des amas d'étoiles

 
    Ce qui ne résout pas la question de l'origine, Car ces embryons, d'où viennent-ils ? "Cette question nous donne bien du fil à retordre, admet Reinhard Genzel, astrophysicien au Max Planck Institute (Allemagne) et spécialiste des trous noirs. Nous n'avons pas encore de réponse, mais nous étudions plusieurs hypothèses. Par exemple : les protogalaxies contenaient peut-être des amas stellaires ultracompacts, qui ont formé en leur cœur des trous noirs. Il est possible que, du fait de leur masse importante, ces "graines" aient migré vers le centre de la galaxie et fusionné en un trou noir de masse intermédiaire.  
    De récentes observations confortent ce scénario. En 2011, avec le VLT, l'équipe d'Andreas Burkert, de l'université de Munich, a observé des galaxies dans l'Univers très lointain, lorsque celui-ci était âgé d'à peine 1 milliard d'années. Or, celles-ci se révèlent dénuées de trou noir central, mais constellées d'une dizaine d'amas d'étoiles. "Nous avons sans doute observé l'étape au cours de laquelle les 'graines' se forment au sein des amas, commente le chercheur.  
    Il nous faudrait maintenant surprendre la suivante, celle où ces graines fusionnent au centre, Les galaxies apparaîtraient alors débarrassées d'une bonne partie de leurs amas stellaires, mais flanquées au coeur d'un trou noir de masse intermédiaire.  
    L'approche est prometteuse. Mais elle se heurte à un sérieux problème : certains de ces amas antédiluviens, appelés "amas globulaires" ont subsisté jusqu'à aujourd'hui. "Dans la Voie lactée, on en compte une centaine, précise Françoise Combes. Or, aucun d'entre eux ne présente de trou noir en son centre…"  
   

Du gaz pour nourrir le trou noir

 
    En attendant de résoudre le casse-tête de l'origine, les astronomes se sont attaqués à une autre question : celle de l'évolution de ces trous noirs initiaux. En admettant qu'un trou noir de masse intermédiaire trône au milieu d'une jeune galaxie, il faut expliquer comment cet embryon évolue en un monstre du calibre de ceux que l'on observe aujourd'hui. Voyez plutôt : le trou noir central de la Voie lactée, Sagittarius A*, "pèse" 4 millions de soleils. Celui de notre voisine, la galaxie d'Andromède, atteint 100 millions de masses solaires; celui de la galaxie M 87, dans la Vierge, 6,5 milliard !  
    Avec des embryons de seulement 100 à 100'000 masses solaires, on est encore loin du compte. C'est entendu, les trous noirs grossissent en harmonie avec leur galaxie. Mais comment ? En attirant vers eux toutes les étoiles alentour au point d'acquérir sans cesse plus de masse ? Ce n'est pas si simple. "Un trou noir n'est pas un aspirateur ! explique David Elbaz, spécialiste de l'évolution des galaxies au CEA. Les étoiles sont animées d'une vitesse de rotation, qui leur évite de tomber vers le centre de la galaxie. C'est cette même vitesse de rotation qui empêche la Lune de tomber sur la Terre, et la Terre, sur le Soleil".  
    Pour faire grossir un trou noir central, une seule solution : déjouer cette force centrifuge. Deux mécanismes le permettent, l'un violent, l'autre plus doux. Commençons par le violent : la collision galactique. Quand deux galaxies se percutent, étoiles et nuages de gaz, emportés dans ce maelström, voient leur vitesse de rotation perturbée. Freinés dans leur course, ils se mettent à tomber en spirale vers le centre né de la fusion des deux galaxies.  
En chiffres   1/700
C'est le rapport moyen entre la masse d'un trou noir supermassif et le bulbe (la partie centrale) de sa galaxie hôte.
 
    La méthode douce a davantage la faveur des astronomes, Telles des autoroutes desservant les villes, des courants de gaz intergalactique froid alimentent en permanence les galaxies. "Ce processus engendre la formation de grumeaux qui perturbent la rotation des étoiles et du gaz au sein des galaxies et provoque un écoulement de matière vers le centre', explique David Elbaz. C'est ce que montrent les simulations numériques réalisées en 2011 par l'équipe de Frédéric Bournaud, du CEA.  
   

De la graine à l'embryon de trou noir

 
   
 
   
  1. Dans le jeune Univers, des amas d'étoiles ultradenses peuplent les galaxies en formation.
  2. Les amas s'effondrent sous leur propre gravité et forment chacun un trou noir de 10 à 100 masses solaires.
  3. Attirées par leur masse, les étoiles s'agglomèrent dans le sillage de ces "graines", Elles les ralentissent dans leur rotation au sein de la galaxie.
  4. Les "graines" perdent peu à peu de la vitesse et tombent en spirale vers le centre de la galaxie.
  5. Parvenues au centre de la galaxie, les "graines" fusionnent en un trou noir de plusieurs milliers de masses solaires : un embryon de trou noir supermassif.
 
   

Lorsque deux galaxies entrent en collision, leurs trous noirs respectifs fusionnent. C'est ce qui est en train de se produire pour la paire de galaxies NGC 3393, observée ici par le satellite Chandra.

 
   

Les explosions de Sagittarius A*

De 1999 à 2002, le satellite Chandra explore 11 fois le centre de la Voie lactée en rayons X. En tout, 164 heures d'observations qui fournissent une vue sans précédent de la région de Sagittarius A*, où loge le trou noir de notre galaxie. Les lobes de gaz porté à 20 millions de degrés (en rouge, sur les côtés) sont provoqués par des explosions inexpliquées du monstre.

 
   

Onde de choc autour de la galaxie Centaurus A

En 2009, plusieurs télescopes sont associés pour obtenir cette image de la galaxie elliptique Centaurus A, "ce qui permet de distinguer toutes les structures de son noyau actif, une première", souligne Françoise Combes. Les jets du trou noir central (en orange) ont été révélés par Apex dans le domaine submillimétrique (entre l'infrarouge et la radial). En bleu: l'onde de choc engendrée par la rencontre des jets avec le milieu interstellaire, vue par Chandra en rayons X.

 
   

Une croissance infinie

 
    Comble de l'élégance en sciences, ce dernier vient d'observer, en compagnie d'une autre équipe, la preuve du scénario qu'il a bâti. Il a en effet constaté, sur des images prises par le satellite Chandra, que les galaxies présentant des grumeaux contiennent presque toujours un quasar, cet objet ultralumineux qui se manifeste lorsqu'un trou noir ingurgite un banquet de gaz et d'étoiles.  
    Violent ou doux, "les deux phénomènes sont probablement à l'oeuvre depuis des milliards dan nées et font croître simultanément trou noir et galaxie, conclut Andreas Burkert. Dans les deux cas, l'afflux de gaz facilite la formation des étoiles, ce qui augmente la masse de la galaxie, et nourrit du même coup le monstre central, qui enfle." Jusqu'où peut-il grossir ? En décembre 2011, des astronomes de l'université de Berkeley (Californie) ont découvert deux colosses de 10 milliards de masses solaires. Un record absolu. Mettra-t-on un jour la main sur des trous noirs plus opulents encore ? "Il n'y a pas de limite théorique, répond Françoise Combes. Certes, quand il atteint une certaine masse, un trou noir rayonne tant qu'il crée autour de lui un bouclier de nature à empêcher la matière de pleuvoir davantage. Mais quand l'afflux de matière s'arrête, il cesse de rayonner, le bouclier disparaît, et le repas peut reprendre. Ce phénomène d'autorégulation ne fait que ralentir la croissance d'un trou noir." Ainsi, dans notre Univers âgé de 13,7 milliards d'années, les trous noirs n'ont eu guère le temps d'accréter plus de 10 milliards de masses solaires. Dans 10 milliards d'années, certains spécimens seront dix à cent fois plus massifs que nos actuels champions.  
    Que deviennent ces milliards d'étoiles une fois englouties par les monstres de l'Univers ? L'information est-elle perdue à jamais ? Forme-t-elle des trous de vers, fascinants raccourcis dans l'espace-temps ? C'est l'une des grandes énigmes de l'astrophysique du XXIe siècle…  
En chiffres   10
C'est la masse, exprimée en milliards de masses solaires, des deux plus grands trous noirs jamais détectés.
 
       
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