Des monstres cosmiques boulimiques


Les Noyaux Actifs de Galaxies (NAGs), dont font partie les quasars, constituent le phénomène le plus énergétique de l'Univers et l'un de ceux qui restent encore mystérieux. Il s'agirait de trous noirs géants de masse entre un million et un milliard de masses solaires, qui sont en train d'engloutir du gaz environnant. Ce gaz s'enroule autour du trou noir, dans un disque d'accrétion aplati, très petit par rapport à la galaxie. Comprimé par l'intense gravité régnant au voisinage du trou noir, le gaz est porté à de très hautes températures et rayonne une énorme quantité d'énergie, d'où le nom de «monstres cosmiques».
Cependant toutes les galaxies, même celles qui ne sont pas actives, recèlent en leur coeur des trous noirs géants. Mais ils n'émettent pas ou très peu de lumière, car ils n'ont plus de gaz à leur disposition. L'un des problèmes majeurs est de comprendre comment ces trous noirs se sont formés et ont grossi au cours de l'évolution cosmique.

On a récemment découvert que certaines galaxies actives, les «Narrow Line Seyfert 1 galaxies» (NLS1s) ou «Galaxies de Seyfert 1 à raies étroites», contiennent un trou noir dont la masse semble croître plus rapidement que celle des autres Noyaux Actifs. En estimant la durée moyenne de la phase NLS1 et le taux moyen avec lequel le gaz tombe sur le trou noir, des astronomes de l'Observatoire de Paris ont montré que le trou noir grossit d'un facteur dix à mille au cours de cette phase. Il est probable que toutes les galaxies, donc tous les trous noirs massifs, ont traversé au moins une fois cette phase au cours de leur vie.

Quasars et Galaxies Actives

Les galaxies «actives» se distinguent des galaxies «normales» seulement par la présence dans leur coeur d'un «noyau» très brillant qui fluctue au cours du temps. On les appelle des «Noyaux Actifs de Galaxies» (NAGs). Les quasars en sont des cas extrêmes, dans lesquels le noyau rayonne cent, voire mille fois, plus que la galaxie tout entière.

Il existe maintenant de nombreuses preuves que les Noyaux Actifs de Galaxies et les quasars tirent leur puissance de l'extraction d'énergie gravitationnelle du gaz tombant sur un Trou Noir Super-Massif. Ces trous noirs ont des masses d'un million à un milliard de fois celle du Soleil. On dit que le gaz est «accrété» par le trou noir, et l'on pense qu'il spirale en tombant et prend la forme d'un disque aplati, appelé «disque d'accrétion» : ce disque est en quelque sorte la station de production d'énergie ultime du Noyau Actif.

De nombreuses études ont été menées pour déterminer les conditions physiques régnant dans le disque d'accrétion au voisinage immédiat du trou noir. Il est probable en particulier que les jets observés dans ces objets naissent près de la frontière interne du disque d'accrétion d'où ils sont expulsés avec une vitesse voisine de celle de la lumière.

Figure 1 Vue d'artiste de ce que l'on pense représenter un Noyau Actif de Galaxie. L'engin central est un trou noir massif entouré d'un disque d'accrétion, par où le gaz s'écoule de la galaxie vers le trou noir, entouré d'un "tore" de poussière qui nous cache une moitié environ des Noyaux Actifs (© CXC/Melissa Weiss).

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Un Trou Noir Géant au coeur de chaque galaxie

Mais les trous noirs géants ne sont pas présents seulement dans le coeur des galaxies actives. On a découvert récemment que chaque galaxie en recèle un : ainsi notre propre Galaxie, la Voie Lactée, possède un trou noir central d'environ trois millions de masses solaires. Simplement, il ne rayonne pratiquement pas, car il n'a pas de gaz disponible à accréter. Plus surprenant encore, la masse de ces trous noirs est à peu près égale à 0.2% de celle du bulbe de la galaxie dans laquelle ils sont hébergés (le bulbe est la partie sphéroïdale d'une galaxie), ce qui prouve que galaxie et trou noir ont eu une évolution parallèle.

Comment fabriquer des Trous Noirs Massifs

L'une des questions majeures concernant ces trous noirs massifs est la suivante: commen t et quand se sont-ils formés? Il existe trois façons de grossir pour un trou noir : (i) l'accrétion de gaz, (ii) la capture d'étoiles, et (iii) les collisions entre trous noirs. Le deuxième cas revient à l'accrétion, car le trou noir attire les étoiles, mais en se rapprochant elles se brisent sous l'effet de la terrible force gravitationnelle qui s'exerce sur elle, et se transforment en un gaz très chaud qui va rejoindre le tourbillon du disque d'accrétion. Dans le troisième cas, une paire de trous noirs super-massifs dans une même galaxie, due à la rencontre et la fusion de deux galaxies possédant chacune un trou noir, fusionnent à leur tour pour créer un seul trou noir plus massif: c'est ce qui est probablement observé dans une galaxie très lumineuse en infra-rouge, NGC 6240. Quoiqu'il en soit, les mécanismes (ii) et (iii) ne sont pas souvent observés, et il y a peu de raison de croire qu'ils jouent un rôle important dans la croissance des trous noirs. Par contre, nous savons que dans toutes les galaxies actives se produit l'accrétion (i), au cours de laquelle le trou noir central avale le gaz qui l'entoure.

Croissance des Trous Noirs dans les Noyaux Actifs Jeunes

Parmi les nombreuses classes de Noyaux Actifs, une certaine classe, les «Narrow Line Seyfert 1 galaxies» (NLS1s) ou «Galaxies de Seyfert 1 à raies étroites», a attiré récemment l'attention par leurs remarquables propriétés dans le domaine optique et celui des rayons X, qui diffèrent de celles des autres Noyaux Actifs et des quasars. De nombreux arguments suggèrent que le trou noir central y est plus léger que dans les autres Noyaux Actifs. L'un d'eux est la comparaison entre la distribution de l'énergie en fonction de la longueur d'onde observée dans les NLS1s, et l'émission que l'on attend d'un disque d'accrétion. Un autre argument provient de «l'étroitesse» des raies spectrales, qui caractérise précisément les NLS1s et leur a donné leur nom: comparées à la taille de la région où ces raies sont produites (mesurée par des méthodes dites de «réverbération»), elles ne sont pas «élargies» suffisamment, comme elles le seraient dans le cas d'un trou noir aussi massif que celui des autres Noyaux Actifs.

Le taux d'accrétion peut être estimé lorsque l'on connaît la masse, en mesurant le flux qui nous parvient (pense-t-on) du disque d'accrétion dans une bande spectrale, par exemple dans le domaine optique. On trouve alors que la vitesse de croissance du trou noir, qui peut être calculée grossièrement en divisant la masse du trou noir par le taux d'accrétion, est très élevée. En d'autres termes, les NLS1s sont apparemment de jeunes Noyaux Actifs, dont le trou noir est en train de croître rapidement. Ce qui pourrait expliquer que les NLS1s semblent ne pas suivre la même relation que les autres galaxies, leurs trous noirs paraissant sous-massifs par rapport à leur bulbe, dont la croissance aurait eu lieu un peu avant.

La phase NLS1 peut-elle être la principale phase dans l'histoire de la croissance cosmique des trous noirs ? Il ne s'agit pas là d'une question aussi naïve qu'on pourrait le croire, car le degré de croissance d'un trou noir dépend entièrement de la durée de cette phase de forte accrétion, qui n'est pas encore bien connue.

Figure 2 Taux d'accrétion en fonction de la masse du trou noir (en masse solaire par an) dans les NLS1s. La masse du trou noir est estimée grâce à la relation entre la luminosité et la masse déduites de la technique de réverbération, et le taux d'accrétion à partir du flux observé dans le domaine optique. Tous les trous noirs de masse inférieure à 5 106 Mo ont acquis leur masse en moins de dix millions d'années.

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Grâce à d'intenses programmes récents d'observations, dont le «ROSAT All Sky Survey» et le «Sloan Digital Sky Survey», on a pu montrer que les NLS1s représentent de 10 à 30% des Noyaux Actifs. Cette fraction varie avec le domaine de longueur d'onde dans lequel on observe les Noyaux Actifs: dans l'optique, elle est d'environ 10%, et dans la bande X elle est de 30%. Ces fractions relatives, combinées avec la durée de vie moyenne d'un Noyau Actif, qui est d'environ cent millions d'années, fournissent une estimation du temps qu'un Noyau Actif passe dans la phase NLS1 : elle est de dix a trente millions d'années. Le reste du temps - soixante dix à quatre vingt dix millions d'années - le Noyau Actif n'est plus une NLS1. Si l'on considère alors le taux d'accrétion moyen des NLS1s, on déduit que le trou noir croit en moyenne d'un facteur mille dans la phase NLS1. Par contre, le trou noir croît beaucoup plus lentement pendant les soixante dix à quatre vingt dix millions d'années restantes. Notons que le taux d'accrétion moyen et la fraction relative de NLS1s ne sont connus actuellement que pour des objets relativement proches (de redshift inférieur à 0.6). Dans l'Univers plus lointain, donc plus jeune, il est possible que la croissance des trous noirs soit encore plus rapide qu'actuellement. Ceci pourrait expliquer pourquoi il existe des quasars de redshift supérieur à 6, correspondant à un milliard d'années seulement après le Big-Bang, dont le trou noir a déjà plus d'un milliard de masses solaires. La réponse sera donnée dans le futur lorsque théorie et observations auront encore progressé.

Références "Growth of massive black holes by Super-Eddington accretion" Toshihiro Kawaguchi, Kentaro Aoki, Kohji Ohta, Suzy Collin, Astronomy & Astrophysics Letters 420, L23
"Super-Eddington accretion rates in Narrow Line Seyfert 1 galaxies" Suzy Collin, Toshihiro Kawaguchi, 2004, Astronomy & Astrophysics, in press

Contacts
Suzy Collin (Observatoire de Paris, LUTH)