Au centre de nombreuses grandes galaxies se trouve un trou noir supermassif, dont la masse peut atteindre des millions ou des milliards de fois celle du Soleil. Pour grandir, il absorbe du gaz environnant. Mais d'où vient exactement cette matière ? Une équipe a suivi son parcours grâce à 30 simulations détaillées de galaxies massives.
Les chercheurs ont distingué plusieurs origines possibles. Du gaz peut arriver de l'espace situé entre les galaxies, provenir d'une autre galaxie ou être présent depuis les premières étapes de formation. Une autre source se trouve directement dans la galaxie : les étoiles elles-mêmes rejettent de la matière au cours de leur évolution.
Vue d’artiste de l’environnement d’un trou noir supermassif au centre d’une galaxie, entouré de matière en accrétion.
Crédit : ESO/L. Calçada — CC BY 4.0
Certaines étoiles perdent progressivement leurs couches externes. D'autres expulsent brutalement une partie de leur matière lorsqu'elles explosent en supernova. Ce gaz retourne alors dans la galaxie, où il peut circuler longtemps avant de se rapprocher du centre. Les chercheurs parlent alors de gaz « recyclé ».
Dans les simulations, ce gaz recyclé représente la principale source de matière absorbée par les trous noirs étudiés. Il est aussi riche en éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium.
Cette composition donne un indice sur l'histoire du gaz. Les premiers gaz de l'Univers contenaient presque uniquement de l'hydrogène et de l'hélium. Les étoiles fabriquent ensuite des éléments plus lourds, puis en rejettent une partie. Une matière riche en ces éléments porte donc la trace d'un passage par une ou plusieurs générations d'étoiles.
Même le gaz venu d'autres origines tend à changer avant d'atteindre le trou noir. Selon les simulations, il séjourne généralement dans la galaxie et s'enrichit progressivement. Le trou noir reçoit ainsi une matière dont la composition dépend fortement de l'évolution des étoiles qui l'entourent, plutôt qu'un simple apport direct venu de l'extérieur.
Les résultats sont compatibles avec les fortes concentrations d'éléments lourds déduites des observations de quasars. Un quasar apparaît lorsqu'un trou noir supermassif absorbe beaucoup de matière et que son environnement devient extrêmement lumineux. La composition de cette matière peut être étudiée grâce aux caractéristiques de la lumière qu'elle émet.
L'étude reste fondée sur des simulations de 30 galaxies massives, avec des trous noirs particulièrement lourds. Les auteurs peuvent désormais comparer plus précisément les proportions chimiques prévues avec celles mesurées autour de trous noirs observés à différentes périodes de l'histoire de l'Univers.