Cette image montre le rendu d'un artiste des régions intérieures d'un quasar alimenté par un trou noir supermassif au centre. Lorsque le disque de gaz et de poussière tombe dans le trou noir, les températures élevées créent de la lumière. Les différences dans cette lumière peuvent aider les astronomes à mesurer la masse du trou noir.
(Image: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / collaboration SDSS)
Les trous noirs des monstres se cachent au centre de la plupart des galaxies de l'univers, et maintenant, une nouvelle technique aide les scientifiques à mesurer la masse de certains des plus grands trous noirs de l'univers, même lorsqu'ils se trouvent au centre de très faibles, éloignés galaxies. La nouvelle approche pourrait considérablement améliorer la compréhension des scientifiques sur la façon dont ces géants se forment et évoluent, et comment ils influencent l'évolution des galaxies.
"C'est la première fois que nous mesurons directement des masses pour autant de trous noirs supermassifs si loin", a déclaré Catherine Grier, stagiaire postdoctorale à Penn State, dans un communiqué du Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier a dirigé un projet visant à mesurer les masses d'une multitude de trous noirs dits supermassifs à l'aide de données SDSS. Elle a rendu compte des résultats mardi 9 janvier lors de la réunion de l'American Astronomical Society à National Harbor, Maryland.
"Ces nouvelles mesures, et des mesures futures comme celles-ci, fourniront des informations vitales aux personnes qui étudieront la croissance et l'évolution des galaxies à travers le temps cosmique", a déclaré Grier. [Images: trous noirs de l'univers]
Trous noirs de mesure de masse
Sur la base de décennies d'observations galactiques, les astronomes théorisent maintenant que le cœur de presque toutes les grandes galaxies contient un trou noir supermassif (SMBH). Ces bêtes monstrueuses peuvent être des millions ou des milliards de fois plus massives que le soleil de la Terre. Les trous noirs ne rayonnent pas et ne réfléchissent pas la lumière, ces SMBH ne peuvent donc pas être vus directement. Mais comme la gravité d'un SMBH attire la poussière et le gaz de la galaxie environnante, il crée un disque tourbillonnant de matière qui tombe dans le trou noir. Ce matériau infaillible se réchauffe et commence à irradier la lumière, rendant le trou noir "visible" (quoique indirectement). Dans certains cas, la lumière de ces disques devient plus brillante que toutes les étoiles de la galaxie; ces galaxies incroyablement brillantes sont alors appelées noyaux galactiques actifs (AGN). Les AGN les plus brillants sont appelés quasars, que les astronomes peuvent voir tout au long de l'univers visible; ils indiquent la présence d'un trou noir supermassif, selon le communiqué.
Les trous noirs n'ont que trois propriétés mesurables - la masse, le spin et la charge - donc le calcul de la masse est une partie importante de la compréhension d'un trou noir individuel. Dans les galaxies voisines, les astronomes peuvent observer comment des groupes d'étoiles et de gaz se déplacent autour du centre galactique et utiliser ces mouvements pour déduire la masse du trou noir central. Mais les galaxies lointaines se trouvent si loin que les télescopes ne peuvent pas résoudre les étoiles et les nuages de matière autour du trou noir, selon le communiqué.
Une technique connue sous le nom de cartographie de réverbération a permis aux astronomes de mesurer les masses de ces trous noirs périphériques. Tout d'abord, les chercheurs comparent la luminosité du gaz rayonnant dans la région extérieure de la galaxie avec la luminosité du gaz trouvé dans la région intérieure de la galaxie. (Cette région intérieure, très proche du trou noir, est connue comme la région du continuum). Le gaz dans la région du continuum affecte le gaz en mouvement rapide plus loin. Cependant, la lumière met du temps à voyager vers l'extérieur, ou à se réverbérer, ce qui entraîne un délai entre les changements observés dans la région intérieure et leur effet sur la région extérieure. La mesure du retard révèle à quelle distance le disque externe de gaz est éloigné du trou noir. Couplé à sa vitesse de rotation autour de la galaxie, cela permet aux astronomes de mesurer la masse du SMBH, a déclaré Grier à Space.com dans un e-mail.
Mais le processus est douloureusement lent. Pour observer l'effet de réverbération, une galaxie individuelle doit être étudiée maintes et maintes fois pendant plusieurs mois, tandis que les quasars éloignés peuvent prendre plusieurs années d'observations répétées, ont indiqué les chercheurs dans le communiqué. Au cours des 20 dernières années, les astronomes ont réussi à utiliser la technique de réverbération pour seulement environ 60 SMBH dans les galaxies voisines et une poignée de quasars éloignés.
Dans le cadre du projet de cartographie de la réverbération SDSS, Grier et ses collègues ont commencé à cartographier les SMBH plus rapidement que précédemment. La clé de cette cartographie plus rapide vient du télescope à vue large dédié au projet, situé à l'observatoire Apache Point à Sunspot, au Nouveau-Mexique, qui peut collecter des données sur plusieurs quasars en même temps, selon Grier. Il observe actuellement une partie du ciel qui contient environ 850 quasars.
Les chercheurs ont observé les quasars avec le télescope Canada-France-Hawaii à Hawaï et le télescope Bok de l'observatoire Steward en Arizona pour calibrer leurs mesures des objets incroyablement faibles. Au total, les chercheurs ont maintenant mesuré les retards de réverbération pour 44 quasars, et ils ont utilisé ces mesures pour calculer des masses de trous noirs allant de 5 millions à 1,7 milliard de fois la masse du soleil de la Terre, selon le communiqué.
"C'est un grand pas en avant pour la science des quasars", a déclaré Aaron Barth, professeur d'astronomie à l'Université de Californie à Irvine, qui n'était pas impliqué dans les recherches de l'équipe, dans le communiqué. "Ils ont montré pour la première fois que ces mesures difficiles peuvent être effectuées en mode production de masse."
Les nouvelles mesures augmentent le nombre total de mesures de masse galactique SMBH d'environ deux tiers. Parce que beaucoup de ces galaxies sont très éloignées, les nouvelles mesures révèlent des masses SMBH de plus loin dans le temps, jusqu'à ce que l'univers n'ait que la moitié de son âge actuel.
En continuant d'observer les 850 quasars avec le télescope SDSS sur plusieurs années, l'équipe accumulera des années de données qui lui permettront de mesurer les masses de quasars encore plus faibles, dont les délais plus longs ne peuvent être mesurés avec une seule année de données.
"L'obtention d'observations de quasars sur plusieurs années est cruciale pour obtenir de bonnes mesures", a déclaré Yue Shen, professeur adjoint à l'Université de l'Illinois et chercheur principal du SDSS Reverberation Mapping Project. "Alors que nous poursuivons notre projet de surveiller de plus en plus de quasars pour les années à venir, nous serons en mesure de mieux comprendre comment les trous noirs supermassifs se développent et évoluent."
Après la fin de la quatrième phase actuelle du SDSS en 2020, la cinquième phase, SDSS-V, commencera. SDSS-V propose un nouveau programme appelé Black Hole Mapper, dans lequel les chercheurs prévoient de mesurer les masses SMBH dans plus de 1000 quasars, observant des quasars plus faibles et plus anciens que tout projet de cartographie de réverbération n'a jamais géré.
"Le Black Hole Mapper nous fera entrer dans l'ère de la cartographie supermassive de la réverbération des trous noirs à une véritable échelle industrielle", a déclaré Niel Brandt, professeur d'astronomie et d'astrophysique à Penn State et membre de longue date du SDSS, dans le communiqué. "Nous en apprendrons plus sur ces objets mystérieux que jamais."
