mercredi 16 octobre 2019

Deux disques de gaz en rotation inverse autour d'un trou noir supermassif


En observant le cœur de la galaxie M77 (NGC 1068) avec ALMA dans le domaine des ondes millimétriques, une équipe d'astronomes a découvert quelque chose de peu banal autour de son trou noir supermassif : deux disques de gaz qui tournent en sens inverse. Ils publient leur découverte dans The Astrophysical Journal Letters.




C'est grâce à l'excellente résolution spatiale qu'offre ALMA que les chercheurs européens et américains menés par Violette Impellizzeri (ALMA Observatory, Santiago du Chili) ont pu mettre en évidence ce à quoi ils ne s'attendaient pas. On savait que le trou noir supermassif de M77, une galaxie spirale située à 47 millions d'années-lumière, se cachait derrière un épais tore de gaz et de poussière. Et une équipe japonaise avait pu montré en février 2018 (voir là) que le tore tournait en sens inverse de celui de la galaxie. C'était la première fois qu'on mesurait le mouvement d'un tore de gaz entourant un trou noir supermassif.

Mais ALMA est aussi capable de voir le rayonnement provenant de l'intérieur de ce gros tore de gaz, et le réseau permet donc de mesurer des mouvements de gaz, grâce à la mesure des décalages spectraux de raies d'émission caractéristiques. Les astrophysiciens peuvent ainsi déterminer le sens de rotation de la matière qui tourne autour du trou noir central, en fonction de la distance radiale. 
Et Impellizzeri et ses collaborateurs démontrent dans leur analyse des données de ALMA qu'il n'existe pas un seul disque de gaz autour du trou noir supermassif, mais deux. Le premier, le plus interne, s'étend entre 2 et 4 années-lumière du trou noir et le second, le tore proprement dit, de 4 jusqu'à 22 années-lumière. Et ce qui différencie ces deux disques de gaz, c'est qu'ils tournent dans des sens opposés! Le plus proche du trou noir tourne dans le même sens que le reste de la galaxie tandis que l'autre se meut en sens inverse (le seul qu'avaient vu l'équipe de Masatoshi Imanishi l'année dernière).
Un phénomène de contre-rotation n'est pas complètement inédit, des cas ont déjà été observés dans des galaxies, mais à des échelles beaucoup plus vastes, à des milliers d'années-lumière du centre galactique. Le phénomène apparaît toujours comme le résultat d'une collision ou d'une interaction entre deux galaxies. Il suffit qu'une galaxie qui tournait en sens contraire a rencontré M77 puis a fusionné avec elle il y a très longtemps, ses derniers résidus gazeux se retrouvant aujourd'hui à proximité immédiate du centre.

Ici, c'est la première fois qu'on voit un tel phénomène aussi près du trou noir supermassif d'une galaxie, à seulement quelques années-lumière. Cette observation est très intéressante car elle peut avoir une implication insoupçonnée sur la vitesse de grossissement des trous noirs, toujours sujette à questions. En effet, un disque d'accretion tournant dans un seul sens et deux disques en contre-rotation ne se comportent pas du tout de la même façon : le disque "unique" est beaucoup plus stable que le "double-disque en contre-rotation". Ce dernier peut devenir instable à n'importe quel moment d'après les astrophysiciens. Et une instabilité signifie la chute d'une énorme quantité de matière vers le trou noir en très peu de temps, de façon en tout cas beaucoup plus rapide que dans le cas d'un sage disque tournant toujours dans le même sens. Pour le moment le disque de gaz externe de M77 semble évoluer sur une orbite stable autour du disque interne, mais cela changera dès que la friction entre les deux s'intensifiera. Les deux disques seront alors inéluctablement plongés vers le trou noir. 

Un tel phénomène pourrait être une piste pour expliquer le grossissement très rapide de certains trous noirs supermassifs qui font déjà plus de 10 milliard de masses solaires à peine 1 milliard d'années après le Big Bang, une question qui n'a aujourd'hui pas encore de réponse consensuelle.


Source

Counter-Rotation and High Velocity Outflow in the Parsec-Scale Molecular Torus of NGC 1068,
Violette Impellizzeri et. al., 
The Astrophysical Journal Letters, Volume 884, Number 2 (14 october 2019)


Illustration

Vue d'artiste de la zone centrale de la galaxie M77 (NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello)