Plongée dans la minispirale entourant Sgr A*

Des chercheurs de l'Université McGill ont découvert que le gaz qui orbite autour de Sagittarius A*, le trou noir supermassif situé au centre de la Voie Lactée, est riche en métaux. Selon eux, cet enrichissement en métaux résulte probablement d'explosions stellaires ayant libéré de la matière dans l'environnement du trou noir au fil du temps. Ils publient leur étude dans The Astronomical Journal.

En astronomie, les métaux comprennent tous les éléments (par exemple, le carbone, l'oxygène, le fer ou l'or) qui sont plus lourds que l'hélium et l'hydrogène. Leur présence influe sur la vitesse de refroidissement des gaz, ce qui, à son tour, influe sur la facilité avec laquelle ces gaz peuvent produire des étoiles ou être accrétés par un trou noir.

Sgr A*, le trou noir supermassif situé au centre galactique de la Voie lactée, à environ 8 kpc est entouré d'un amas de gaz, de poussières et d'étoiles. Il se trouve au sein d'un dense amas stellaire nucléaire qui abrite une population importante d'étoiles de Wolf-Rayet (WR) émettant dans l'ultraviolet, et au-delà, d'un anneau de gaz froid appelé le disque circumnucléaire (CND). À l'intérieur du CND se trouve un ensemble de gaz ionisé chaud et de poussières moléculaires connu sous le nom de « Minispirale » du centre galactique. La Minispirale suit une forme à trois branches composée du bras nord, du bras est et de l'arc ouest. Ces structures filamenteuses agissent comme des conduits reliant le gaz moléculaire froid du CND et le plasma chaud du noyau stellaire central (NSC).

Des décennies d'observations avec une résolution croissante ont permis de cartographier le gaz de la Minispirale principalement en ondes radio et en ondes submillimétriques. Les spectres continus sont respectivement dominés par le rayonnement de freinage thermique des gaz ionisés et par l'émission thermique des poussières. Les raies de recombinaison radio de l'hydrogène sont issues du même gaz ionisé produisant le rayonnement de freinage thermique, tandis que les raies (sub)millimétriques sont produites dans des environnements denses où des espèces moléculaires comme que le monoxyde de carbone, peuvent exister. En revanche, l'émission de raies IR comprend à la fois des raies de recombinaison et des raies de structure fine, et ces dernières permettent d'étudier la structure d'ionisation et la chimie du gaz de la Minispirale.

L'étude de Nicole Ford et ses collaborateurs a été menée à partir de données recueillies par le télescope spatial Webb. La résolution spectrale et spatiale sans précédent de Webb a permis à l'équipe de distinguer les signatures thermiques de plusieurs nuages de gaz orbitant près de Sgr A*. Elle leur a également permis de mesurer avec précision la composition de chaque nuage de gaz.

Avec l'instrument MRS (Mid-Infrared Instrument) de Webb, Ford et ses collaborateurs ont cartographié spatialement de nombreuses raies de structure fine émises par le gaz de la Minispirale à des échelles inférieures au parsec, en s’appuyant sur des études infrarouges antérieures. Cela leur permet de caractériser la structure d'ionisation et la composition chimique du gaz de la Minispirale, qui sont des informations essentielles pour dresser un portrait précis du réservoir de combustible de Sgr A*.

La composition chimique de la Minispirale résulte de l'histoire de la formation du noyau stellaire central (NSC) et du disque stellaire nucléaire à plus grande échelle. Les mesures d'abondance indiquent que la matière alimentant la Minispirale possède une composition gazeuse suprasolaire (c'est à dire plus évoluée que celle du Soleil), mêlée à de la poussière. Les observations infrarouges de la région du centre galactique au sens large révèlent des abondances légèrement suprasolaires dans le gaz et la majorité des étoiles. Les contraintes issues de la spectroscopie des rayons X confirment par ailleurs indépendamment un environnement enrichi en métaux si l'on suppose une abondance d'hydrogène solaire. L'élévation du numéro atomique Z et, en particulier, la légère augmentation des éléments α sont compatibles avec une formation d'étoiles massives et des supernovas à effondrement de cœur subséquentes qui auraient enrichi le centre galactique.

Ford et ses collaborateurs ont contraint la composition et l'état d'ionisation de trois structures gazeuses de la Minispirale distinguées par leur vitesse radiale : la barre, le bras nord et les parcelles de gaz à déplacement rapide qu’ils appellent les structures BC.

À l'échelle du subparsec les chercheurs estiment les abondances métalliques à environ 1,8 fois l'abondance solaire. Les variations entre les éléments sont attribuées aux conditions physiques supposées et/ou à l'appauvrissement en poussières. La faible diminution du nickel et du fer en phase gazeuse indique selon eux que les poussières de la Minispirale ont subi une importante transformation, qui serait compatible avec une destruction efficace des poussières par les chocs. Il apparaît que le nickel en phase gazeuse est particulièrement abondant dans le Bras Nord et les structures BC par rapport à la Barre, ce qui pourrait être dû à une destruction plus importante des poussières par les chocs dans ces régions.

Le champ de rayonnement ionisant s'explique généralement par le flux combiné des étoiles WR centrales. Les variations de ce champ en fonction de la position et de la structure du gaz sont attribuées ici à une combinaison de différentes densités de gaz, de distances ou de protection contre les sources ionisantes, et d'ondes de choc ou d'autres sources de rayonnement externes.

Les astrophysiciens notent que les structures BC sont particulièrement intrigantes car de petits amas de gaz pourraient y constituer la principale source de carburant pour l'accrétion de Sgr A*. Les abondances métalliques comparables entre les structures BC et le gaz environnant de la Minispirale suggèrent une origine commune. L'ionisation accrue et la destruction des poussières pourraient également indiquer que des chocs rapides localisés influencent les structures BC. Typiquement des explosions de supernovas.

De futures mesures à haut rapport signal/bruit de l'émission de raies infrarouges (par exemple, [O IV ] ou [Ne V ]) devraient permettre de déterminer le rôle respectif de la photoionisation et des chocs dans ces structures gazeuses de petite échelle. L’exploration détaillée de la Minispirale ne fait que commencer.

Source

Ionization Structure and Metal Enrichment of the Galactic Center Minispiral Observed with JWST
Nicole M. Ford, et al.
The Astronomical Journal, Volume 172, Number 5 (2026 October 19 )

https://doi.org/10.3847/1538-3881/ae994d

Illustrations

1. La Minispirale galactique imagée en infrarouge moyen  (Ford et al.)

2. Nicole Ford