Le gaz chaud des galaxies elliptiques et des amas émet en rayons X, mais sa luminosité observée est inférieure à celle prédite par un modèle auto-similaire avec chauffage purement gravitationnel. Cet écart est connu sous le nom de « problème d'entropie » dans les groupes de galaxies. À côté de ce travail, les archives contiennent des études sur le gaz chaud dans les groupes, les trous noirs comme remorqueurs et thermomètres, ainsi que sur la poussière frappée par des ondes invisibles. Toutes concernent d'une manière ou d'une autre l'influence des noyaux actifs sur leur environnement, mais cet article couvre pour la première fois toute la gamme de masses, des galaxies elliptiques individuelles aux amas massifs, en utilisant des échantillons sélectionnés optiquement, exempts de biais de sélection en rayons X.
Les auteurs ont pris comme base le profil d'entropie des simulations cosmologiques adiabatiques avec un paramètre central η et ont supposé que l'activité du trou noir ne fait qu'augmenter ce paramètre. La densité et la température du gaz ont été décrites par une équation d'état polytropique avec un indice γ = 1.19 ± 0.02, tiré des observations des amas X-COP. L'entropie centrale a été calibrée sur la relation observée entre la luminosité bolométrique et la masse du halo, obtenue à partir des observations empilées en rayons X d'eRosita pour des systèmes sélectionnés optiquement. L'excès d'entropie ΔS a été calculé comme la différence entre l'entropie du modèle et l'entropie de base des simulations, en intégrant sur la masse du gaz plutôt que sur le rayon, afin de tenir compte de l'expansion du gaz lors du chauffage. La chaleur $Q_{heat}$ a été obtenue à partir de l'équation ΔS = $Q_{heat}$/$T_{heat}$ + $Q_{cool}$/$T_{cool}$, où les températures de chauffage et de refroidissement ont été estimées à partir de modèles semi-analytiques et semi-empiriques de l'histoire d'accrétion des trous noirs.
Pour une efficacité d'accrétion canonique de 10 %, les trous noirs supermassifs thermalisent de 1 à 3 % de leur énergie dans le gaz environnant. Cette valeur est presque constante sur toute la gamme de masses allant de $10^{12}$ à $10^{15}$ masses solaires. La comparaison de la chaleur injectée par les trous noirs avec la chaleur rayonnée par le gaz sur un temps de Hubble a révélé deux régimes. Dans les galaxies elliptiques et les groupes de masse inférieure à $10^{14}$ masses solaires, la chaleur accumulée dépasse largement les pertes par rayonnement, et le gaz reste dans un état de haute entropie longtemps après l'époque des quasars. Dans les amas de masse supérieure à $10^{14}$ masses solaires, le chauffage et le refroidissement sont en équilibre auto-entretenu, et la majeure partie de l'énergie injectée a déjà été rayonnée. Numériquement, $Q_{heat}$ varie de 2×$10^4$ à 4×$10^7$ masses solaires multipliées par c², selon la masse du halo.
Ce travail relie pour la première fois quantitativement l'excès d'entropie du gaz chaud à la production d'énergie des trous noirs supermassifs sur toute la gamme de masses, des galaxies elliptiques aux amas. Contrairement aux études voisines, qui se limitaient aux amas ou utilisaient des échantillons sélectionnés en rayons X biaisés vers les objets brillants, ici on utilise des systèmes sélectionnés optiquement et des observations empilées d'eRosita, ce qui élimine les erreurs systématiques. L'efficacité de chauffage obtenue de 1 à 3 % est cohérente avec la fraction d'énergie mécanique dans les jets, ce qui indique un mécanisme de rétroaction mécanique plutôt que radiative.
La méthode proposée peut être étendue à des redshifts plus élevés en utilisant les futurs instruments à rayons X HUBS, AXIS et NewAthena. Cela permettra de suivre l'évolution de l'entropie et du chauffage au fil du temps cosmique et de vérifier comment l'efficacité de la rétroaction change. On peut également affiner le modèle en tenant compte de l'inhomogénéité du gaz et d'une éventuelle dépendance de l'indice polytropique vis-à-vis de l'entropie centrale.
Les résultats influenceront les modèles semi-analytiques de formation des galaxies et les simulations cosmologiques hydrodynamiques, en fournissant des paramètres réalistes pour la rétroaction des noyaux actifs. Ils aideront également à interpréter les observations en rayons X des groupes et des amas.
Vérifier la prédiction de faibles taux d'accrétion dans les galaxies elliptiques à partir de la démographie des noyaux actifs. Comparer le modèle avec des profils d'entropie à haute résolution obtenus pour des systèmes individuels.
Ce travail relie directement deux problèmes non résolus de l'astrophysique : la suppression de la formation d'étoiles dans les galaxies massives et le maintien du gaz chaud dans les amas contre le refroidissement. L'efficacité de chauffage obtenue permet de boucler le bilan énergétique dans les modèles de formation des galaxies, mais la question du mécanisme précis de transfert d'énergie des jets au gaz reste ouverte.
Dans l'amas Abell 85, le trou noir central a une masse de 4×$10^{10}$ masses solaires, ce qui en fait l'un des trous noirs les plus massifs confirmés dynamiquement. Si toute son énergie de masse était convertie en chaleur, elle suffirait à chauffer tout le gaz de l'amas à des températures incroyables.
Dans le roman « Hyperion » de Dan Simmons, le Techno-Cœur utilise l'énergie des trous noirs à ses propres fins. Ici, les trous noirs agissent comme des régulateurs naturels de chaleur, empêchant le refroidissement incontrôlé des galaxies.