En utilisant un nouveau modèle informatique de formation de galaxies, les chercheurs ont montré que la croissance des trous noirs libère une explosion d'énergie qui régule fondamentalement l'évolution des galaxies et la croissance des trous noirs elle-même. Le modèle explique pour la première fois les phénomènes observés et promet de fournir des informations plus approfondies sur notre compréhension de la formation des galaxies et du rôle des trous noirs à travers l'histoire cosmique, selon ses créateurs. Publié dans le numéro du 10 février de Nature, les résultats ont été générés par l'astrophysicienne de l'Université Carnegie Mellon Tiziana Di Matteo et ses collègues alors qu'ils étaient au Max Planck Institut fur Astrophysik en Allemagne. Les collaborateurs de Di Matteo incluent Volker Springel au Max-Planck Institut for Astrophysics et Lars Hernquist à Harvard University.
"Ces dernières années, les scientifiques ont commencé à apprécier que la masse totale des étoiles dans les galaxies d'aujourd'hui correspond directement à la taille du trou noir d'une galaxie, mais jusqu'à présent, personne ne pouvait expliquer cette relation observée", a déclaré Di Matteo, professeur adjoint de physique à Carnegie Mellon. «L'utilisation de nos simulations nous a donné une toute nouvelle façon d'explorer ce problème.»
La clé des chercheurs? percée intégrait des calculs pour la dynamique des trous noirs dans un modèle de calcul de la formation des galaxies.
Lorsque les galaxies se sont formées dans le premier univers, elles contenaient probablement de petits trous noirs en leur centre. Dans le scénario standard de formation de galaxies, les galaxies se développent en se réunissant les unes aux autres par l'attraction de la gravité. Dans le processus, les trous noirs en leur centre fusionnent et se développent rapidement pour atteindre leur masse observée d'un milliard de fois celle du Soleil; par conséquent, ils sont appelés trous noirs supermassifs. Également au moment de la fusion, la majorité des étoiles se forment à partir du gaz disponible. Les galaxies d'aujourd'hui et leurs trous noirs centraux doivent être le résultat d'une série de tels événements.
Di Matteo et ses collègues ont simulé la collision de deux galaxies naissantes et ont constaté que lorsque les deux galaxies se sont réunies, leurs deux trous noirs supermassifs ont fusionné et ont initialement consommé le gaz environnant. Mais cette activité se limitait d'elle-même. Alors que le trou noir supermassif de la galaxie restante aspirait du gaz, il alimentait un état luminescent appelé quasar. Le quasar a excité le gaz environnant à un niveau tel qu'il a été projeté loin du voisinage du trou noir supermassif vers l'extérieur de la galaxie. Sans gaz à proximité, le trou noir supermassif de la galaxie ne pouvait pas «manger» pour se maintenir et est devenu dormant. Dans le même temps, le gaz n'était plus disponible pour former plus d'étoiles.
"Nous avons découvert que l'énergie libérée par les trous noirs pendant une phase de quasar alimente un vent fort qui empêche le matériau de tomber dans le trou noir", a déclaré Springel. «Ce processus inhibe la croissance du trou noir et ferme le quasar, tout comme la formation d'étoiles s'arrête à l'intérieur d'une galaxie. En conséquence, la masse du trou noir et la masse des étoiles dans une galaxie sont étroitement liées. Nos résultats expliquent également pour la première fois pourquoi la durée de vie du quasar est une phase si courte par rapport à la vie d'une galaxie. »
Dans leurs simulations, Di Matteo, Springel et Hernquist ont découvert que les trous noirs dans les petites galaxies limitent leur croissance plus efficacement que dans ceux des grandes galaxies. Une petite galaxie contient de plus petites quantités de gaz, de sorte qu'une petite quantité d'énergie du trou noir peut rapidement chasser ce gaz. Dans une grande galaxie, le trou noir peut atteindre une plus grande taille avant que son gaz environnant ne soit suffisamment excité pour arrêter de tomber. Avec leur gaz rapidement épuisé, les petites galaxies font moins d'étoiles. Avec un réservoir de gaz à durée de vie plus longue, les grandes galaxies font plus d'étoiles. Ces résultats correspondent à la relation observée entre la taille du trou noir et la masse totale des étoiles dans les galaxies.
«Nos simulations démontrent que l'autorégulation peut expliquer quantitativement les faits observés associés aux trous noirs et aux galaxies», a déclaré Hernquist, professeur et président d'astronomie à la Faculté des arts et des sciences de Harvard. "Il fournit une explication de l'origine de la durée de vie des quasars et devrait nous permettre de comprendre pourquoi les quasars étaient plus abondants dans l'univers primitif qu'aujourd'hui."
"Avec ces calculs, nous voyons maintenant que les trous noirs doivent avoir un impact énorme sur la façon dont les galaxies se forment et évoluent", a déclaré Di Matteo. «Les succès obtenus jusqu'à présent nous permettront de mettre en œuvre ces modèles dans de plus grands univers simulés, afin de comprendre comment les grandes populations de trous noirs et de galaxies s'influencent mutuellement dans un contexte cosmologique.»
L'équipe a effectué ses simulations avec les vastes ressources informatiques du Center for Parallel Astrophysical Computing du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics et du Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft à Garching.
Source d'origine: Communiqué de presse de l'Institut Max Planck
