Ce sont de véritables gloutons. Les trous noirs supermassifs qui peuplent le centre des galaxies attirent et engloutissent une partie de la matière présente dans leur voisinage.

Mais la vaste majorité de la matière qui tombe vers eux ne finit pas dans leurs entrailles. Elle est plutôt propulsée vers l'extérieur sous forme de puissants jets, capables de sculpter la galaxie environnante.

Un mystère entourait encore ce phénomène : si ces jets réchauffent le gaz environnant les trous noirs, cela devrait couper leur approvisionnement en nourriture. Alors, comment poursuivent-ils leur croissance?

Grâce aux données récoltées par le télescope spatial James Webb combinées à des simulations informatiques, une équipe internationale pilotée par l’astrophysicienne Julie Hlavacek-Larrondo, professeure à l’Université de Montréal, vient de lever le voile sur le mystérieux mécanisme qui relie ces géants invisibles à l'évolution de leurs galaxies hôtes et dont l’explication n’était jusqu’à maintenant que théorique.

L’astrophysicienne explique : Une hypothèse émise par des astronomes en 1998 stipulait qu’en s'éloignant du trou noir, le gaz se refroidit et se condense en de longs filaments, qui retombent ensuite vers le centre de la galaxie. Selon cette théorie, les trous noirs alimentent le processus même qui les nourrit, au sein d'un système autorégulé.

Cette image composite montre la galaxie NGC 4696 qui est dotée d'un trou noir supermassif ultra efficace. Elle est la plus brillante de l'amas de galaxies du Centaure, situé à environ 145 millions d'années-lumière de nous.

Photo : NASA

NGC 4696 : un laboratoire cosmique parfait

Pour réussir à confirmer le phénomène par des observations directes, les chercheurs ont braqué le télescope James Webb sur l’amas du Centaure, situé à environ 145 millions d’années-lumière de la Voie lactée. C'est à cet endroit que se trouve NGC 4696, une galaxie elliptique géante près de 100 fois plus massive que notre galaxie.

Contrairement à la Voie lactée, plutôt calme, NGC 4696 baigne dans un milieu intra-amas extrêmement brillant.

C'est un laboratoire cosmique parfait, explique Julie Hlavacek-Larrondo, parce qu’on peut voir directement comment les jets d'énergie émis par le trou noir interagissent avec le gaz environnant. Dans la Voie lactée, ce gaz est trop diffus, on ne le voit pas avec nos télescopes actuels.

Le maillon manquant observé

Dans le cas de NGC 4696, il est possible de voir que cette galaxie est traversée par un gigantesque filament de poussière sombre et marbré qui s'enroule autour de son centre.

Déjà en 2016, des images captées par le télescope Hubble révélaient un curieux tourbillon de gaz en forme de S près du trou noir central de la galaxie. Cependant, si Hubble avait pu localiser ce gaz, ses instruments n’étaient pas parvenus à dévoiler son mouvement.

C’est précisément ce qu’a réussi l’équipe de la professeure Hlavacek-Larrondo à la suite de huit heures d'observation réalisée avec l'instrument NIRSpec de James Webb. On a réussi à observer pour la première fois le mouvement de cette matière, se réjouit Julie Hlavacek-Larrondo.

Les informations récoltées par Webb ont permis de cartographier avec une précision inégalée le mouvement du gaz au cœur de la sphère d'influence du trou noir. La résolution était suffisante pour distinguer des structures d'à peine 30 années-lumière.

Cette illustration montre le mouvement du gaz tombant vers le trou noir supermassif de la galaxie NGC 4696.

Photo : Université de Montréal/Télescope James Webb

Le trou noir central émet donc de puissants jets de plasma qui compriment le gaz environnant. Cette compression crée de longs filaments de gaz froid et lourd.

Ces cartes ont révélé que le tourbillon en S est en réalité un disque de gaz en rotation enroulé autour du trou noir, mesurant près de 800 années-lumière de diamètre, avec de la matière tourbillonnant à des vitesses atteignant 600 kilomètres par seconde, explique Julie Hlavacek-Larrondo.

Plus important encore, note l’astrophysicienne, ce disque est physiquement relié à l'un des grands filaments qui s'étirent vers l'extérieur de la galaxie.

Les observations montrent du gaz qui s'écoule le long du filament, se déverse dans le disque, puis tombe de celui-ci vers le trou noir supermassif, qui projette à nouveau ses jets. Et le cycle recommence.

Les observations de NGC 4696 réalisées par Webb permettent d'établir qu'environ 10 masses solaires de gaz par année tombent des filaments vers le disque que l’on observe autour du trou noir.

Selon nos calculs, seulement environ 0,001 % de cette matière finit par être engloutie par le trou noir, précise l'astrophysicienne. On pense que les 99,999 % restants sont réinjectés en cours de route, probablement sous forme de vents.

Un gros plan du centre de la galaxie NGC 4696 autour de son trou noir supermassif. L'image en gris à l'arrière-plan provient du télescope spatial Hubble. La carte colorée superposée montre la répartition du gaz tombant vers le trou noir, telle que tracée par la raie Paschen α à l'aide de l'instrument NIRSpec du JWST. Une spirale est visible dans le gaz.

Photo : NASA/ESA/CSA/STScI/J. Hlavacek-Larrondo et coll., 2026

Nous observons enfin en action ce cycle qui s’autorégule, s’enthousiasme la chercheuse, qui note aussi que le télescope James Webb révèle que les trous noirs sont peut-être les recycleurs cosmiques ultimes.

De l'infiniment petit à l'infiniment grand

Pour confirmer leurs observations, les chercheurs ont confronté les données récoltées par James Webb à de super-simulations informatiques. En intégrant la relativité générale, les radiations et les champs magnétiques, les modèles informatiques ont réussi l'exploit de lier ce qui se passe autour du trou noir jusqu'à l'échelle macroscopique de la galaxie entière.

Pour la première fois, les simulations prédisent exactement ce qu'on observe. On a pu voir tout le cheminement du gaz, de l'échelle de la galaxie jusqu'au trou noir. C'est magique!

Ces nouveaux résultats obtenus pour NGC 4696 laissent à penser que ce mécanisme de recyclage pourrait être commun aux galaxies massives à travers l'Univers, poursuit-elle.

D'autres trous noirs en observation

Forts de ces résultats, l’astrophysicienne et ses collègues ont obtenu de la NASA une nouvelle période d’observation de 12 heures avec Webb. Cette fois-ci, c’est l’amas de Persée qui sera scruté.

On a choisi un mode d'observation différent qui va nous permettre de voir comment le gaz bouge à travers toute la galaxie, et pas seulement en son centre, dit la chercheuse. Les données qu'on commence à récolter sont fabuleuses. Elles vont changer notre compréhension du domaine.

Des systèmes similaires sont aussi étudiés en utilisant d’autres installations, telles que le Très Grand Télescope (VLT) de l’Observatoire européen austral au Chili ou le Télescope de l'horizon des événements (EHT).

Le détail des présents travaux est publié dans The Astrophysical Journal Letters (nouvelle fenêtre) (en anglais).