Le gaz autour de Sgr A* contient des restes de supernovae

Un trou noir qui mange au compte-gouttes

Sgr A* est le trou noir supermassif le plus proche de nous. Cette proximité en fait un laboratoire unique : aucun autre trou noir de cette taille ne peut être observé avec autant de détails. Et pourtant, il brille très peu. Les trous noirs supermassifs actifs, ceux qui dévorent la matière de leur galaxie, font rayonner des disques de gaz parmi les objets les plus lumineux de l'Univers. Sgr A* reste discret.

L'image que l'on se fait d'un trou noir est trompeuse. Ce n'est pas un aspirateur qui avale tout ce qui passe. Pour tomber vers lui, le gaz doit d'abord se refroidir, se comprimer et se débarrasser de sa rotation. Un gaz chaud et tourbillonnant reste en orbite pendant des millions d'années. Le débit d'alimentation dépend donc des propriétés du carburant disponible, sa température, sa densité et sa composition chimique.

C'est là que la nouvelle étude entre en jeu. Les chercheurs ont pointé le spectrographe MIRI du télescope James-Webb vers le parsec central de la Galaxie, la zone où le gaz est le plus proche du trou noir. Ils y ont décortiqué la lumière de la Minispirale, un ensemble de gaz chaud en orbite autour de Sgr A*.

La Minispirale, un triskèle de gaz autour du monstre

La Minispirale doit son nom à sa forme. Vue de la Terre, elle dessine trois bras qui semblent jaillir d'un même centre : le bras Nord, le bras Est et l'arc Ouest. Les astronomes parlent d'un triskèle, ce motif à trois branches qui ornait déjà les monnaies grecques. Autour d'elle s'enroule le disque circumnucléaire, un anneau de gaz froid qui contient la matière première de la région.

Les trois bras jouent le rôle de pont. Ils relient le gaz moléculaire froid du disque au plasma brûlant qui entoure les étoiles du centre. Des travaux menés depuis les années 1980 montrent que ce gaz file entre 100 et 400 kilomètres par seconde le long de la ligne de visée. Les bras se rejoignent dans une zone appelée la Barre, à peu près immobile dans notre direction. Plus près encore du trou noir se nichent de petites structures compactes, dont un objet nommé X7.

MIRI a permis de voir cette architecture avec une finesse inédite. Le spectrographe travaille dans l'infrarouge moyen, entre 4,9 et 27,9 micromètres, et découpe la lumière en milliers de longueurs d'onde. À la distance de Sgr A*, un parsec couvre environ 25 secondes d'arc dans le ciel. MIRI descend sous le dixième de parsec, soit un tiers d'année-lumière, et distingue chaque bras par sa vitesse et sa morphologie. En novembre 2023, la caméra NIRCam de Webb avait déjà livré un portrait spectaculaire du centre galactique, dans la région de Sagittarius C, à environ 300 années-lumière de Sgr A*. MIRI, lui, vise le cœur.

Un détail intrigue les chercheurs. Plusieurs nuages compacts filent à plus de 600 kilomètres par seconde, soit environ 2 millions de kilomètres par heure. À cette vitesse, on traverse la France en moins de deux secondes. Ces objets se trouvent à moins de 0,05 parsec de Sgr A* en projection sur le ciel. X7 en fait partie, et les nouvelles données confirment le modèle d'orbite proposé pour lui en 2023.

Lire la composition d'un gaz dans sa lumière

Comment mesure-t-on la recette d'un gaz situé à 26 000 années-lumière ? On ne peut pas en prélever un échantillon. On lit sa lumière. Un gaz chauffé et ionisé émet des raies à des longueurs d'onde très précises, propres à chaque atome et à chaque état d'ionisation. C'est le principe de la spectroscopie, la décomposition de la lumière en ses couleurs, comme un prisme sépare un arc-en-ciel.

L'équipe a repéré treize raies fines dans l'infrarouge moyen. Elles viennent du néon, de l'argon, du soufre, du nickel, du fer et de l'oxygène. Quatre raies de recombinaison de l'hydrogène complètent le spectre. Ces atomes ont perdu un ou plusieurs électrons, ce qui demande une énergie comprise entre 8 et 55 électronvolts. Un électronvolt est une unité d'énergie adaptée aux photons : c'est l'énergie qu'un électron gagne en traversant une pile d'un volt. Ces valeurs placent le rayonnement dans l'ultraviolet, bien au-delà de la lumière visible.

Chaque raie raconte deux choses à la fois. Le rapport entre les raies d'un même atome, par exemple le néon une fois ionisé et le néon deux fois ionisé, indique la dureté du rayonnement reçu. Le rapport entre une raie et l'hydrogène indique la quantité d'atomes présents. En combinant ces mesures sur chaque structure, les chercheurs ont obtenu une carte chimique de la Minispirale.

Le résultat tient en un chiffre. Le gaz contient en moyenne 1,8 fois plus d'éléments lourds que le Soleil, avec une fourchette de 1,4 à 2,2 fois selon l'élément et la zone visée. Le néon et l'argon, faciles à mesurer, portent cette moyenne. Le soufre et le nickel varient davantage, et le fer gazeux montre un excès comparable.

Ces chiffres cachent un deuxième résultat, plus subtil. Dans un milieu interstellaire ordinaire, la plupart des atomes de fer et de nickel sont enfermés dans des grains de poussière. Ils échappent donc à la mesure. Dans la Minispirale, les chercheurs trouvent entre 58 et 87 % du fer sous forme gazeuse, contre 5 à 10 % seulement dans le reste du centre galactique. La poussière a été détruite, et ses atomes libérés dans le gaz.

D'où viennent ces métaux ? La piste des supernovae

Les éléments mesurés racontent leur propre origine. Le néon, l'argon, le soufre et l'oxygène appartiennent à la famille des éléments alpha. Ils se forment dans les étoiles massives et sont libérés lors de l'effondrement de leur cœur, à la fin de leur vie. Le nickel et le fer, plus lourds, viennent surtout des supernovae de type Ia, ces explosions de naines blanches qui ont accumulé trop de matière.

Le mélange observé colle à ce scénario. La même équipe a aussi comparé le gaz aux étoiles qui orbitent autour de Sgr A*. Les étoiles du centre galactique ont une composition de 1 à 2 fois celle du Soleil, et les vents des étoiles Wolf-Rayet, ces étoiles très massives qui ont épuisé leur hydrogène, affichent des valeurs voisines. Le gaz de la Minispirale ressemble à ces étoiles. Il pourrait donc être issu du même matériau, ou avoir été enrichi par les mêmes générations stellaires.

Reste le suspect le plus évident. Sgr A East est le reste de supernova le plus proche connu de Sgr A*. Il occupe une partie du ciel qui chevauche la position du trou noir, et son âge est estimé à environ 10 000 ans. Une étude complémentaire menée par Mayura Balakrishnan, de McGill, a produit les cartes X les plus nettes de cet objet. Elle montre que Sgr A East s'est étendu dans le gaz ambiant, l'a comprimé et chauffé, et qu'il injecte de l'énergie dans toute la région.

Ces éléments pourraient donc venir de là. Les supernovae enrichissent le gaz en métaux, et les chocs qu'elles produisent libèrent les atomes enfermés dans la poussière. C'est exactement ce que suggèrent les nuages compacts : leur ionisation plus forte et leur poussière détruite indiquent des chocs rapides. Les chercheurs restent prudents. La mesure ne désigne pas une explosion précise, et l'enrichissement peut être cumulatif, hérité de millions d'années de formation d'étoiles dans le noyau galactique.

Pourquoi Sgr A* mange si peu

Voilà le cœur de l'affaire. Un gaz plus riche en métaux rayonne mieux, donc se refroidit plus vite. Un gaz qui se refroidit devient plus dense et tombe plus facilement vers le trou noir. On pourrait s'attendre à ce que cet enrichissement de 1,8 fois le Soleil accélère sérieusement le repas. Ce n'est pas le cas. L'enrichissement reste modéré, et il ne suffit pas à déclencher un refroidissement rapide.

D'autres effets vont dans le même sens. Le rayonnement des étoiles Wolf-Rayet ionise le gaz et le maintient chaud. Sgr A East, de son côté, entretient la turbulence et la chaleur dans son sillage depuis environ 10 000 ans. Résultat, une grande partie du gaz reste trop chaude et trop agitée pour s'effondrer vers le trou noir. Seule une petite fraction, refroidie et comprimée, atteint la région où la gravité prend le dessus.

Nicole Ford, première autrice de l'étude et doctorante au sein du groupe de Daryl Haggard, résume le paradoxe : « Nous savons qu'il y a un trou noir au centre de notre galaxie qui attire de la matière, mais nous constatons qu'il en absorbe beaucoup moins que d'autres trous noirs supermassifs, et que le processus est plus lent. Pour comprendre ce phénomène, nous devons notamment examiner les propriétés de la matière à sa portée, le gaz, la poussière et les étoiles dans son orbite. » Propos traduits de l'anglais.

Ce que cela change pour nous

La portée de l'étude dépasse le centre de la Voie lactée. La composition du gaz qui alimente un trou noir supermassif conditionne les modèles qui décrivent sa croissance. Les simulations qui font tomber du gaz vers Sgr A* utilisent des hypothèses sur les métaux, et ces hypothèses viennent d'être resserrées. La composition chimique du carburant est désormais mesurée dans la zone où le gaz bascule vers le trou noir.

Elle relie aussi deux échelles. Les trous noirs supermassifs des galaxies lointaines sont impossibles à observer d'aussi près. Sgr A* sert de référence, et la façon dont les métaux se répartissent autour de lui éclaire les modèles d'enrichissement des galaxies entières. Les auteurs l'espèrent : leur étude pourrait aider à comprendre la distribution des métaux autour de trous noirs plus éloignés.

Il y a enfin une résonance plus intime. Le fer de notre sang, le calcium de nos os et le carbone de nos cellules ont été forgés dans des étoiles et dispersés par leurs explosions. Les supernovae qui ont enrichi la Minispirale appartiennent à la même machine chimique. En étudiant le gaz autour de Sgr A*, nous regardons un atelier où la matière de futures planètes se prépare, à l'échelle d'une galaxie.

Pour aller plus loin, il faudra deux choses. Des simulations qui suivent le gaz sur des millions d'années, pour voir comment il refroidit et tombe. Et des mesures plus sensibles des raies très ionisées, comme celles de l'oxygène et du néon, pour séparer la part du rayonnement stellaire et celle des chocs. Les deux pistes sont identifiées.

Pour aller plus loin

• La fiche mission de James-Webb (JWST), dont le spectrographe MIRI a produit ces mesures.
• Les notions clés pour suivre le dossier : le trou noir supermassif, la Voie lactée, l'infrarouge et la spectroscopie.
• Pour observer vous-même le centre galactique : la carte du ciel interactive et le guide d'observation indiquent où le pointer, et la galerie d'astrophotographies montre ce qu'un amateur équipé en obtient.
• Les sources officielles : l'étude dans The Astronomical Journal (accès libre), le manuscrit arXiv, le communiqué de l'Université McGill et les cartes X de Sgr A East présentées par Chandra.