Une recherche révèle des indices sur l’évolution des trous noirs supermassifs et des galaxies
Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont découvert que des trous noirs supermassifs, dont la masse est des millions, voire des milliards, de fois celle de notre soleil, se cachent au centre de la plupart des galaxies, y compris notre Voie lactée. Étonnamment, il existe des liens étroits entre la masse de ces trous noirs et la masse des étoiles dans le bulbe central de la galaxie. Cette découverte est intrigante dans la mesure où le bulbe étoilé s’étend sur des distances 100 à 1 000 fois supérieures à l’influence directe du trou noir. Financé par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie, le projet BiD4BEST s’est appuyé sur un modèle populaire qui décrit la croissance des trous noirs supermassifs en trois étapes: tout d’abord, le trou noir croît rapidement en consommant le gaz d’une galaxie poussiéreuse, riche en gaz et propice à la formation d’étoiles. Ensuite, une fois devenu plus massif, il génère de puissants vents qui peuvent stopper la formation d’étoiles en éliminant ou en chauffant le gaz, régulant sa propre croissance et établissant des relations avec sa galaxie hôte. Enfin, la galaxie passe d’un état poussiéreux et émettant de la lumière infrarouge à un quasar brillant, avant de s’estomper pour devenir une galaxie où la formation d’étoiles est bien plus faible. Les chercheurs ont comparé ce modèle aux modèles «d’orientation», qui suggèrent que l’apparence d’un trou noir dépend de l’angle sous lequel il est observé, en particulier si une grande quantité de poussière bloque la vue.
Dévoiler la dynamique cachée des noyaux actifs de galaxie
«Nous avons catalogué d’importants spécimens de noyaux actifs de galaxie (NAG), des trous noirs supermassifs qui consomment activement de la matière, dès leur premier stade de croissance en nous appuyant sur des observations dans l’infrarouge, la radiofréquence et les rayons X. En recourant à une analyse bayésienne avancée sur plusieurs longueurs d’onde, nous avons identifié des NAG insaisissables que même les études à rayons X les plus approfondies n’auraient pas détectés», souligne Francesco Shankar, coordinateur du projet. L’équipe a recouru à des approches de sélection optimale des NAG et des algorithmes d’ajustement de modèles pour détecter les NAG obscurcis dans les galaxies où le taux de formation d’étoiles est extrêmement élevé. La recherche BiD4BEST a des implications cruciales pour les grands relevés, en aidant à déterminer l’occurrence des NAG et en contraignant les modèles cosmologiques d’évolution commune des trous noirs et des galaxies. Les chercheurs ont analysé les caractéristiques de rétroaction et l’énergétique associées aux flux sortants des NAG et ont identifié environ 1 200 NAG candidats en phase de rétroaction à différents décalages vers le rouge. S’appuyant sur les données de l’étude eROSITA, l’équipe a rassemblé le plus grand échantillon de champs de rayons X unique de NAG en phase de rétroaction et a créé des cubes de données spatialement résolus des propriétés des galaxies hôtes.
Étudier les fusions de galaxies et la dynamique des trous noirs
Les chercheurs se sont appuyés sur des réseaux neuronaux convolutifs pour analyser la fréquence de fusion des galaxies dans des images simulées. À l’aide de modèles semi-empiriques et de simulations hydrodynamiques, ils ont également examiné l’incidence des NAG dans des amas de galaxies très denses et dans des champs plus isolés. «Les simulations hydrodynamiques de haute résolution nous ont permis d’explorer la physique de la croissance des trous noirs et les mécanismes de rétroaction tels que les vents de NAG. Ces modèles sont désormais la norme pour la modélisation de la rétroaction des trous noirs dans les simulations en cours et à venir», déclare Francesco Shankar. «Nos nouvelles méthodes fournissent une fonction de masse complète des trous noirs sur tout le spectre de masse, pertinente pour les études cosmologiques, et apportent des contraintes à l’existence de trous noirs massifs dans l’univers primitif», ajoute Francesco Shankar. Les chercheurs de BiD4BEST ont également développé un modèle semi-empirique complet baptisé DECODE. Ce modèle est destiné à prévoir diverses observables clés liées aux fusions de galaxies et de trous noirs supermassifs d’une manière cohérente, et constitue un outil précieux pour les installations actuelles et futures, notamment LISA.
Mots‑clés
BiD4BEST, galaxie, trou noir supermassif, simulations hydrodynamiques, noyaux actifs de galaxie, réseaux neuronaux convolutifs
