Un
trou noir supermassif
Avec la
découverte des galaxies actives et
des quasars, un défi était posé aux astrophysiciens. Il
leur fallait, pour comprendre les différents types de galaxies actives,
imaginer une source d’énergie capable de fournir la puissance d’un millier de
galaxies tout en étant localisée dans un espace à peine plus grand que le
système solaire.
Les trous noirs
supermassifs
Deux idées furent
avancées mais rapidement rejetées : les collisions entre galaxies, qui
n’auraient pas produit suffisamment d’énergie, et les explosions en chaîne de supernovae, qui auraient dû se produire en quantités
inimaginables.
Ce fut finalement
le Britannique Donald Lynden-Bell qui proposa en 1968 l’idée à la base de
l’explication moderne. D’après lui, la source d’énergie des galaxies actives
devait être un trou noir supermassif, une version gigantesque des trous noirs
résultant de la mort d’une étoile massive. Au lieu d’avoir à peine
quelques masses solaires, les trous noirs supermassifs contiennent entre un
million et un milliard de masses solaires et ont une taille qui peut atteindre
plusieurs fois la distance entre la Terre et le Soleil.
L’origine des
trous noirs supermassifs
Comme il n’existe
pas d’étoile de masse si grande, les trous noirs supermassifs ne peuvent pas
directement être le fruit d’un effondrement stellaire. En fait, leur mécanisme de
formation n’est toujours pas très clair. Il pourrait s’agir d’une étoile
massive qui s’effondre et donne naissance à un trou noir qui grandit peu à peu
en se nourrissant d’autres étoiles ou bien d’un énorme nuage de gaz qui
s’écroule directement sous sa propre gravité.
Quelle que soit
l’origine des trous noirs supermassifs, leur existence est en tout cas tout à
fait possible. Larelativité
générale est claire sur ce point : si vous arrivez à concentrer un
milliard de masses solaires dans une région de la taille du système solaire, la
situation est mathématiquement semblable à celle d’un trou noir d’origine stellaire, l’espace et le temps
seront extrêmement déformés et même la lumière ne pourra plus s’échapper.
Le scénario
précédent est d’autant plus réaliste que la densité de matière requise est
faible. En effet, le paramètre critique pour la formation d’un trou noir n’est
pas la densité, c’est-à-dire la quantité de matière dans un volume donné, mais
plutôt la compacité, le rapport de la masse à la taille de l’objet. Ainsi, un
trou noir d’origine stellaire nécessite des densités énormes alors qu’un trou
noir supermassif peut se former dans une région peu dense. Il suffit en fait
d’une densité moyenne inférieure à celle de l’eau, ce qui n’est pas difficile à
réaliser en regroupant suffisamment d’étoiles dans un espace restreint.
Le disque
d’accrétion autour du trou noir
Évidemment, par
définition, la luminosité du noyau d’une galaxie active ou
d’un quasar ne provient pas du trou noir supermassif
lui-même. C’est l’action de ce dernier sur la matière environnante qui en est à
l’origine. En effet, dans le modèle unifié des galaxies
actives, le trou noir est entouré d’un disque d’accrétion dont la taille
est de l’ordre de la centaine de fois la distance Terre-Soleil.
Des phénomènes
visqueux ont pour conséquence la chute progressive de la matière du disque dans
le trou noir. Dans ce processus, le gaz transforme son énergie gravitationnelle
en énergie thermique, ce qui entraîne une forte augmentation de la température du
disque. Pour cette raison, ce dernier va se mettre à produire un rayonnement
thermique continu très puissant, en particulier dans l’ultraviolet et les
rayons X. Le processus est similaire dans le principe à l’effondrement d’un nuage moléculaire qui s’échauffe en
se contractant.
Cette façon de produire de
l’énergie est bien plus efficace que les réactions nucléaires qui
alimentent les étoiles, c’est la raison pour laquelle les noyaux actifs peuvent
briller comme plusieurs galaxies.
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