Une équipe internationale d'astrophysiciens vient de réaliser, pour la première fois, une mesure détaillée de la distribution des abondances de plusieurs éléments lourds dans l’environnement immédiat du trou noir supermassif de la galaxie du Compas. Cette analyse permet de contraindre la fraction relative des différents types de supernovas ayant enrichi chimiquement le milieu proche du trou noir. Les résultats de cette étude ont été publiés dans Nature Astronomy.
La distribution des abondances élémentaires constitue un indicateur fondamental pour retracer l’histoire de la production et de l’injection des métaux dans les systèmes astrophysiques. Elle conserve la mémoire des contributions passées des supernovas, principalement réparties entre les supernovas thermonucléaires de type Ia et les supernovas à effondrement de cœur (types II, Ib et Ic). Les éléments lourds synthétisés lors de ces explosions stellaires sont progressivement dispersés dans le milieu interstellaire et intergalactique, polluant le gaz primordial issu du Big Bang, initialement dominé par l’hydrogène et l’hélium.
Les observations en rayons X du milieu intra-amas chaud dans les amas de galaxies montrent que, lorsqu’on intègre l’enrichissement sur l’ensemble du temps cosmique, les rapports d’abondance des métaux sont proches des valeurs solaires. Ces distributions peuvent être reproduites par les modèles de nucléosynthèse actuels en supposant une contribution d’environ 20 % de supernovas de type Ia et 80 % de supernovas à effondrement de cœur.
En revanche, sonder directement la composition chimique au cœur même des galaxies, région clé pour comprendre leur histoire évolutive et la croissance des trous noirs supermassifs, est longtemps resté un défi observationnel majeur. Dans les domaines ultraviolet, optique et proche infrarouge, les abondances métalliques des galaxies abritant des noyaux actifs sont généralement inférées à partir des rapports d’intensité des raies d’émission nébulaires, au moyen de modèles de photoionisation. Ces modèles décrivent l’interaction du rayonnement ultraviolet et optique avec le gaz environnant, mais leurs résultats dépendent fortement des hypothèses adoptées concernant la distribution de densité du gaz, la forme du continuum ionisant ou encore le degré de déplétion des éléments sur les grains de poussière. Ces dépendances introduisent des incertitudes systématiques importantes.
À l’inverse, l’interaction des rayons X avec la matière est physiquement plus simple et permet d’étudier de manière quasi directe l’ensemble des composantes du milieu, qu’il s’agisse du gaz ou de la poussière. Lorsqu’un photon X de haute énergie est absorbé par un atome via le processus photoélectrique, une raie de fluorescence est émise. L’intensité de cette raie est directement proportionnelle à l’abondance de l’élément correspondant dans le milieu irradié. Les diagnostics fondés sur les raies de fluorescence observées dans le spectre X réfléchi par la matière entourant un trou noir supermassif offrent ainsi un moyen robuste d’estimer les abondances élémentaires dans les noyaux actifs de galaxies.
L’enregistrement de ces raies, souvent faibles et étroitement espacées en énergie, requiert toutefois une résolution spectrale exceptionnelle. À ce jour, l’instrument de référence pour ce type d’étude est le spectromètre à microcalorimètre Resolve, embarqué à bord du télescope spatial japonais XRISM, récemment lancé. Grâce à sa résolution en énergie sans précédent, Resolve permet la détection et la mesure précise de raies de fluorescence d’éléments qui étaient jusqu’alors inaccessibles.
Dans ce contexte, les astrophysiciens de la collaboration internationale XRISM ont ciblé la galaxie du Compas, une galaxie spirale proche (distance ≃ 4,2 Mpc) qui héberge le noyau de Seyfert 2 le plus proche connu. Des observations X antérieures avaient montré que son noyau actif est fortement obscurci par une importante quantité de matière, ce qui en fait un laboratoire idéal pour l’étude du tore obscurcissant et de son spectre de réflexion en rayons X.
La galaxie du Compas a été observée avec XRISM du 8 au 12 février 2024, pour un temps d’exposition total de 309 ks. Ces observations ont été complétées par des campagnes quasi simultanées avec les télescopes NuSTAR et XMM-Newton, afin d’étendre la couverture spectrale vers les hautes énergies et d’améliorer la résolution spatiale en dessous de 10 keV. Le spectre global obtenu avec XRISM couvre une région d’environ 3′ × 3′ centrée sur le noyau galactique et révèle de nombreuses raies d’émission associées à divers éléments, notamment l’argon, le calcium, le chrome, le manganèse, le fer et le nickel.
L’analyse du profil de la raie de fluorescence Kα du fer, élargie et modifiée par la diffusion Compton, indique que le matériau émetteur est froid, dense et fortement enrichi en métaux. Sa localisation à une distance supérieure à 0,024 pc du trou noir supermassif est compatible avec la région du tore poussiéreux. La comparaison des intensités des raies de fluorescence des différents éléments relativement à celle du fer met en évidence des rapports argon/fer et calcium/fer inférieurs aux valeurs solaires, tandis que le rapport nickel/fer apparaît au contraire surabondant.
À partir de cette distribution d’abondances, les chercheurs ont pu contraindre la combinaison optimale de supernovas responsables de l’enrichissement chimique observé, en exploitant le fait que les différents types de supernovas produisent les éléments lourds dans des proportions distinctes. Ils concluent à une contribution dominante (≈ 92 %) de supernovas à effondrement de cœur issues d’étoiles de masse inférieure à 20 masses solaires, contre environ 8 % de supernovas de type Ia.
Ces résultats ont des implications majeures pour notre compréhension de la coévolution des galaxies et de leurs trous noirs supermassifs, ainsi que pour la physique des supernovas à effondrement de cœur. La composition chimique mesurée suggère que le trou noir supermassif de la galaxie du Compas accrète un gaz récemment enrichi par des supernovas de type II, plutôt que du gaz ancien dominé par les produits des supernovas de type Ia. Ce constat reste compatible avec les scénarios de formation galactique « de l’intérieur vers l’extérieur », à condition que le gaz de la région du tore (≲ 20 pc) soit continuellement réalimenté par le disque galactique externe, remplaçant ainsi le gaz ancien.
Par ailleurs, la coexistence d’une activité de formation stellaire nucléaire et d’un noyau actif est cohérente avec les modèles dans lesquels les supernovas contribuent à l’obscurcissement du moteur central. La forte métallicité des régions nucléaires souligne également le rôle potentiel de la rétroaction des noyaux actifs de galaxies comme mécanisme d’enrichissement chimique à l’échelle galactique, voire intergalactique.
La mise en évidence d’une limite supérieure de masse (≈ 20 M⊙) pour les progénitrices des supernovas à effondrement de cœur dans la région centrale de la galaxie apporte en outre un éclairage crucial sur le devenir des étoiles massives. Certaines théories prédisent en effet que les étoiles de plusieurs dizaines de masses solaires peuvent s’effondrer directement en trous noirs, ou produire des supernovas de très faible luminosité, sans éjecter d’éléments lourds. Bien que quelques candidates à de tels effondrements directs aient été identifiées dans l’Univers local, leur contribution globale demeure débattue. L’absence de signatures chimiques associées à des supernovas issues d’étoiles de plus de 20 M⊙ dans les spectres XRISM renforce l’hypothèse d’effondrements directs ou d’explosions ratées dans les environnements riches en métaux, sauf si la formation d’étoiles très massives y est intrinsèquement inhibée.
Ce scénario pourrait également apporter une solution au « problème des supergéantes rouges », à savoir l’absence observée de supernovas à effondrement de cœur issues d’étoiles supergéantes rouges de masse supérieure à environ 18 M⊙ dans l’Univers local, malgré l’existence avérée de telles étoiles.
Enfin, l’effondrement direct des étoiles massives dans les environnements métalliquement enrichis a des conséquences importantes pour l’histoire globale de la nucléosynthèse cosmique. Dans l’Univers primordial, caractérisé par une faible métallicité, des étoiles très massives pouvaient au contraire exploser en supernovas et produire d’importantes quantités d’éléments α. Ce contraste entre les différentes époques cosmiques pourrait expliquer pourquoi les rapports d’abondance intégrés observés aujourd’hui dans la plupart des amas de galaxies sont proches des valeurs solaires.
Source
Accurate determination of chemical abundances near a supermassive black hole
Collaboration XRISM
Nat Astron (31 mars 2026).
https://doi.org/10.1038/s41550-026-02817-6
Illustrations
1. La galaxie du Compas imagée par Hubble (NASA, Andrew S. Wilson (University of Maryland); Patrick L. Shopbell (Caltech); Chris Simpson (Subaru Telescope); Thaisa Storchi-Bergmann and F. K. B. Barbosa (UFRGS, Brazil); and Martin J. Ward (University of Leicester, U.K.))
2. Le télescope spatial XRISM (JAXA)
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