Comment les lueurs les plus brillantes "scintillent" dans l'espace

Les trous noirs supermassifs attirent le gaz dans leur environnement avec une force énorme. Lorsque ce gaz tourne autour du trou noir, il devient de plus en plus chaud par frottement et commence à rayonner. C'est ainsi que se forment les objets les plus lumineux de l'univers : les noyaux actifs de galaxies (AGN, pour l'anglais : active galactic nucleus). Ils rayonnent souvent plus intensément que les centaines de milliards d'étoiles de leur galaxie. Le centre de notre galaxie natale, la Voie lactée, abrite également un tel trou noir qui, selon certaines études, aurait brillé comme un AGN il y a quelques millions d'années. Des chercheurs de l'ETH Zurich autour du professeur d'astronomie Kevin Schawinski montrent désormais dans une nouvelle étude que ces AGN ne brillent pas en permanence, mais ressemblent plut?t à une lampe scintillante. Dans le dernier numéro des Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, les astronomes de l'ETH rapportent pour la première fois, sur la base de données d'observation, que les AGN "s'allument et s'éteignent" tous les quelques centaines de milliers d'années.

Les AGN émettent de la lumière sur l'ensemble du spectre électromagnétique, des rayons X aux ondes radio. Ainsi, les télescopes détectent d'une part les rayons X qui proviennent de l'environnement immédiat de l'AGN. D'autre part, les télescopes enregistrent également la lumière visible, mais avec un certain retard : c'est comme une lampe à gaz qui ne s'allume pas immédiatement lorsqu'on appuie sur l'interrupteur.

En effet, la lumière visible ne provient pas directement du noyau actif de la galaxie, mais du gaz qui remplit l'espace entre les étoiles de la galaxie. Les atomes de ce gaz interstellaire sont excités pour briller par le rayonnement du noyau actif de la galaxie d'une manière très spécifique. Ce délai résulte du temps nécessaire à la lumière pour atteindre le bord de la galaxie et allumer ainsi la "lampe à gaz" galactique. Avant que cela ne se produise, le noyau actif de la galaxie se trouve dans un état apparemment "éteint" - du moins en ce qui concerne la lumière visible. Mais dans cet état, le noyau galactique actif émet déjà des rayons X.

Noyaux apparemment "éteints

Les chercheurs de l'ETH ont maintenant découvert dans une grande collection de données de noyaux actifs de galaxies observés qu'environ cinq pour cent d'entre eux étaient dans un état apparemment "éteint". Cela signifie qu'ils ont certes été détectés par des télescopes à rayons X, mais qu'ils ne brillaient pas encore de la lumière visible typique d'une "lampe à gaz galactique".

Si cinq pour cent de tous les noyaux actifs de galaxies observés ne brillent pas encore de manière visible, cela signifie, selon la conclusion des scientifiques, que l'état apparemment éteint représente cinq pour cent, soit un vingtième, de la durée totale d'une phase de clair-obscur AGN. C'est comme si l'on prenait chaque jour une photo d'une personne : à la fin de sa vie, il y aura plus de photos de l'?ge adulte, plus long, que de l'adolescence, plus courte, et ce dans la même proportion que l'?ge adulte a été plus long que l'adolescence.

190'000 ans de luminosité

Or, les chercheurs savaient, gr?ce à des travaux théoriques antérieurs, que l'état éteint d'un noyau de galaxie actif - que l'on peut comparer à une phase de la vie comme la puberté - devait durer environ 10'000 ans. C'est en effet le temps qu'il faut à la lumière pour traverser une galaxie typique. Inversement, il en résulte qu'une phase AGN complète - l'analogue d'une vie humaine entière - dure en moyenne 20 fois plus longtemps, soit 200 000 ans.

"Ce résultat est important pour mieux comprendre comment un noyau de galaxie actif influence la galaxie qui l'entoure", explique Kevin Schawinski, professeur à l'ETH et responsable de l'étude. Jusqu'à présent, les astrophysiciens savaient que les noyaux actifs de galaxie pouvaient même accumuler du gaz pendant plusieurs milliards d'années. Mais personne ne savait s'ils accumulaient suffisamment de gaz sur toute cette période pour briller. "Nous savons maintenant que la lueur d'un noyau de galaxie actif ressemble plut?t au scintillement d'une lampe à économie d'énergie qui passe de 'allumé' à 'éteint' toutes les 20 millisecondes", explique Schawinski. Comparé aux centaines de millions d'années pendant lesquelles un noyau de galaxie reste actif, 200'000 ans sont une durée tout aussi courte.

Influence sur la formation d'étoiles

"Les 200'000 ans doivent être considérés comme un ordre de grandeur et il s'agit d'une moyenne statistique", souligne Schawinski. Cela signifie que pour une galaxie, la phase AGN peut durer un peu plus longtemps que pour une autre. Mais pour toutes, cette durée devrait être de quelques centaines de milliers d'années. Cette restriction pourrait aider à comprendre comment les noyaux actifs de galaxies interviennent dans l'évolution de leur galaxie d'origine. Par exemple, il est possible que le rayonnement d'un AGN chauffe les nuages de gaz qui s'effondrent sur eux-mêmes et dans lesquels les étoiles se forment. Ce chauffage retarderait ou empêcherait complètement l'effondrement des nuages de gaz et donc la formation d'étoiles. Mais pour cela, il faudrait que le noyau actif de la galaxie brille suffisamment longtemps. "En estimant la durée d'une phase AGN, nous nous rapprochons un peu plus de la réponse à cette question", déclare Schawinski.