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. 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.

nls1-f1.jpg 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). Cliquer sur l’image pour l’agrandir Cliquer sur l’image pour l’agrandirLe 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.

nls1-f2.gif 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 àla relation entre la luminosité et la masse déduites de la technique de réverbération, et le taux d’accrétion àpartir du flux observé dans le domaine optique. Tous les trous noirs de masse inférieure à5 106 Mo ont acquis leur masse en moins de dix millions d’années. Cliquer sur l’image pour l’agrandir Cliquer sur l’image pour l’agrandirGrâce 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) Contacts Suzy Collin (Observatoire de Paris, LUTH)

Dernière modification le 22 février 2013

Active galactic nuclei (AGN), which include quasars, are one of the most energetic and mysterious phenomena in the Universe. The widespread paradigm is that they are supermassive black holes, between millions and billions solar masses, swallowing surrounding gas. The gas is spiraling down, in a flattened accretion disk, of very small size compared to the galaxy size. The gas flowing toward the central black hole is compressed by strong gravity and heated up to tremendous temperatures, radiating an enormous amount of light (hence they are dubbed "cosmic monsters"). Moreover, it is now clear that not only AGNs but also almost all galaxies have massive black holes in their centres. But they emit a very small amount of energy because the black hole has no gas to swallow. One mystery is to know how such massive black holes have been formed and have grown in the cosmic history. It has recently been revealed that a certain sub-class of AGNs, narrow-line Seyfert 1 galaxies (NLS1s), seem to harbor black holes whose mass is rapidly increasing. By estimating the mean duration (life time) and the gas accretion rate of such AGNs, astronomers from Paris Observatory deduced that the black hole will become larger by one to three orders of magnitude in the narrow-line Seyfert 1 phase, on average. It is likely that all galaxies, and all supermassive black holes, have spent some time in this particular phase, in their lifetime. It is now believed that gas accreting toward the central black holes forms a disk-shape, called an "accretion disk", and that this disk is the ultimate power station of these activities. Many studies have been carried out to reveal the physical conditions of the accretion disk in the immediate vicinity of the black hole. Jets can also be fired out around the inner edge of the disk, just adjacent to the black hole region, at nearly the speed of light.

nls1-f1.jpg Figure 1 An artist’s impression of an active galaxy that has jets. The central engine is thought to be a supermassive black hole surrounded by an accretion disc where gas is flowing inward, and which is enshrouded in a dusty doughnut-shaped torus, hiding about half of AGN from us (© CXC/Melissa Weiss). Click on the image to enlarge it Click on the image to enlarge itThe accretion rate can be estimated when the mass is known, by measuring the flux supposed to be emitted by the accretion disk, for instance in the optical band. It is then found that the speed of BH growth, which can be roughly estimated by the BH mass divided by mass accretion rate, is very high. In other words, NLS1s are apparently young AGNs, with their BHs growing rapidly. This could explain why NLS1s do not seem to follow the same relationship as the other galaxies between the mass of the black hole and the bulge, their black holes being apparently under-massive with respect to the bulge, which should have grown before. Then, can NLS1-phase be the principal phase of the cosmic BH growth history ? This is not as naive a question as it may sound, because the degree of the BH growth completely depends on the duration, or the life time, of this high-accretion rate phase, which has not been clear at all.

nls1-f2.gif Figure 2 The accretion rate in solar mass per year as a function of the black hole mass in NLS1s. The mass of the black hole is estimated using the relationship found between the luminosity and the mass by the reverberation technique, and the accretion rate is estimated using the flux observed in the optical band. All black holes of mass lower than 5 106 Mo have acquired their mass in less than ten million years. Click on the image to enlarge it Click on the image to enlarge itAs a result of recent, intense observational programs, including ROSAT All Sky Survey and Sloan Digital Sky Survey, etc., it has been recognized that NLS1s are found in about 10 — 30 per cent of AGNs. The deduced relative fraction varies with the wavelength band used to count the AGNs : in the optical it is about 10 per cent, and it is about 30 per cent in soft X-ray band. These relative fractions, combined with a mean duration of an AGN (which is about a hundred million years), have provided an estimation that an active galaxy passes a NLS1-phase for 10 to 30 million years, while it spends as another sub-class the other 70 to 90 million years. Considering a mean gas accretion rate in NLS1s, it is now deduced that a BH grows by one to three orders of magnitude in the NLS1-phase on average. Contrary, it is also realized that a BH does not grow so rapidly in the rest 70 to 90 millions years, in which the gas accretion rate is not so high. One important point is that the relative fraction and the mean accretion rate of NLS1s are currently estimated for relatively nearby objects. In the distant Universe namely in the young Universe), the BH growth may have happened at a faster pace than we would expect it nowadays. This will be revealed in the future by further observations and theoretical progresses.

References "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) Contacts Suzy Collin (Observatoire de Paris, LUTH)

Dernière modification le 4 mars 2013