Pourquoi des nuages cosmiques se forment-ils près des trous noirs supermassifs ?

Les trous noirs n’aspirent pas forcément toute la matière située à proximité d’eux. De véritables « nuages cosmiques » peuvent se former dans l’environnement de ces objets. Comment exactement ? C’est ce qu’une équipe de scientifiques a voulu expliquer dans une étude, parue au sein de The Astrophysical Journal Letters, présentée par la Nasa le 14 mai 2020.

Les nuages dont il est ici question ne ressemblent pas à ceux que nous connaissons sur Terre. Il s’agit de zones plus denses que le reste de leur environnement. De tels nuages ont été observés à proximité de trous noirs supermassifs. On estime qu’un trou noir supermassif se trouve certainement au centre de chaque grande galaxie. Dans ce cas, on parle de noyau actif de galaxie, pour faire référence à la région compacte située au centre de la galaxie dont la luminosité est très intense. L’énergie émise par les particules qui se déplacent autour du trou noir peut projeter une partie du gaz environnant vers l’extérieur.

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Qu’est-ce qu’un trou noir ?

Un quasar et des nuages.

Source : Nasa/Nima Abkenar (image recadrée et annotée)

Comment le gaz peut-il s’étendre si vite et en amas ?

Les auteurs ont cherché quels sont les paramètres qui expliquent la manière dont ce « vent entraîné par une source thermique est agglutiné ». Les scientifiques s’attendaient à ce que les nuages formés à proximité de tels trous noirs soient fluides. Pourtant, la matière qui les compose semble comme agglutinée, groupée en masses. Elle s’étend au-delà de 1 parsec (une unité de longueur utilisée en astronomie, qui représente environ 3,26 années-lumière). À titre de comparaison, la Nasa précise que ces nuages pourraient même couvrir la distance entre la Terre et Proxima Centauri, l’étoile la plus proche de notre planète après le Soleil.

Pour expliquer la formation de ces étranges amas de matière, les auteurs de l’étude se sont appuyés sur un modèle informatique. L’écoulement rapide de gaz peut s’expliquer par la chaleur intense qui existe près d’un trou noir supermassif. Mais si le gaz est éjecté aussi vite, il n’aurait en théorie assez de temps pour refroidir et former les amas observés. Les chercheurs proposent un scénario qui explique comment le gaz peut à la fois s’étendre sur de grandes distances, et mener à cette formation de « grumeaux ».

Comme une montgolfière

« L’agglutination est le résultat de la séparation des couches de gaz chauffées, des couches froides et denses situées près de la base de l’écoulement, plutôt que de la formation d’amas denses dans un plasma ténu », écrivent les scientifiques. Le phénomène peut être expliqué plus simplement avec l’image d’une montgolfière : l’air chauffé à l’intérieur du ballon est plus léger que l’air frais qui se trouve à l’extérieur. C’est cette différence de densité qui fait monter le ballon dans les airs.

Revenons au trou noir. Le gaz qui s’échappe du trou noir se retrouve bloqué derrière le gaz qui est déjà suffisamment froid pour former des amas. Comme le trou noir continue à éjecter du gaz, les amas situés autour de lui s’étendent.

Cette nouvelle étude permet de mieux comprendre comment se forment ces nuages, mais il reste encore des éléments à explorer. Par exemple, les scientifiques ne s’intéressent pas à la vitesse à laquelle se déplacent ces nuages : certains d’entre eux avancent très vite, à hauteur de 10 000 kilomètres par seconde. Pourquoi ? La raison reste encore incomprise.