Depuis la découverte du Sagittaire A * au centre de notre galaxie, les astronomes ont compris que la plupart des galaxies massives ont un trou noir supermassif (SMBH) en leur cœur. Celles-ci sont mises en évidence par les puissantes émissions électromagnétiques produites au niveau des noyaux de ces galaxies - appelées «noyaux galactiques actifs» (AGN) - qui seraient causées par l'accumulation de gaz et de poussières sur le SMBH.
Depuis des décennies, les astronomes étudient la lumière provenant des AGN pour déterminer la taille et la masse de leurs trous noirs. Cela a été difficile, car cette lumière est soumise à l'effet Doppler, ce qui provoque l'élargissement de ses raies spectrales. Mais grâce à un nouveau modèle développé par des chercheurs chinois et américains, les astronomes peuvent être en mesure d'étudier ces régions à grandes lignes (BLR) et de faire des estimations plus précises sur la masse des trous noirs.
L'étude, «Des amas poussiéreux perturbés par les marées comme origine de larges raies d'émission dans les noyaux galactiques actifs», a récemment paru dans la revue scientifique La nature. L'étude a été dirigée par Jian-Min Wang, chercheur à l'Institut de physique des hautes énergies (IHEP) de l'Académie chinoise des sciences, avec l'aide de l'Université du Wyoming et de l'Université de Nanjing.
Pour le décomposer, les SMBH sont connus pour avoir un tore de gaz et de poussière qui les entoure. La gravité du trou noir accélère le gaz dans ce tore à des vitesses de milliers de kilomètres par seconde, ce qui le fait chauffer et émettre un rayonnement à différentes longueurs d'onde. Cette énergie a finalement éclipsé toute la galaxie environnante, ce qui permet aux astronomes de déterminer la présence d'un SMBH.
Comme Michael Brotherton, professeur UW au Département de physique et d'astronomie et co-auteur de l'étude, l'a expliqué dans un communiqué de presse UW:
"Les gens pensent:" C'est un trou noir. Pourquoi est-il si brillant? "Un trou noir est toujours sombre. Les disques atteignent des températures si élevées qu'ils émettent un rayonnement à travers le spectre électromagnétique, qui comprend les rayons gamma, les rayons X, les UV, les infrarouges et les ondes radio. Le trou noir et le gaz d'accrétion environnant dont le trou noir se nourrit sont du carburant qui allume le quasar. »
Le problème avec l'observation de ces régions lumineuses vient du fait que les gaz à l'intérieur se déplacent si rapidement dans des directions différentes. Alors que le gaz qui s'éloigne (par rapport à nous) est déplacé vers l'extrémité rouge du spectre, le gaz qui se déplace vers nous est déplacé vers l'extrémité bleue. C'est ce qui conduit à une région à lignes larges, où le spectre de la lumière émise ressemble davantage à une spirale, ce qui rend difficile des lectures précises.
Actuellement, la mesure de la masse des SMBH dans les noyaux galactiques actifs s'appuie sur la «technique de cartographie de la réverbération». En bref, cela implique l'utilisation de modèles informatiques pour examiner les raies spectrales symétriques d'un BLR et mesurer les retards entre elles. Ces lignes proviendraient de gaz photoionisé par la force gravitationnelle du SMBH.
Cependant, comme il existe peu de compréhension des grandes lignes d'émission et des différentes composantes des BLR, cette méthode donne lieu à des incertitudes de 200 à 300%. "Nous essayons d'obtenir des questions plus détaillées sur les régions spectrales à large bande qui nous aident à diagnostiquer la masse du trou noir", a déclaré Brotherton. "Les gens ne savent pas d'où viennent ces grandes régions de lignes d'émission ni la nature de ce gaz."
En revanche, l'équipe dirigée par le Dr Wang a adopté un nouveau type de modèle informatique qui tient compte de la dynamique du tore à gaz entourant une SMBH. Ce tore, supposent-ils, serait composé d'amas discrets de matière qui seraient perturbés par le trou noir, provoquant une fuite de gaz (aka accrétant dessus) et une partie éjectée en sortie.
À partir de cela, ils ont constaté que les raies d'émission dans un BLR sont soumises à trois caractéristiques - «asymétrie», «forme» et «décalage». Après avoir examiné diverses lignes d'émission - à la fois symétriques et asymétriques - ils ont constaté que ces trois caractéristiques dépendaient fortement de la luminosité des amas de gaz, ce qu'ils ont interprété comme étant le résultat de l'angle de leur mouvement dans le tore. Ou, comme l'a dit le Dr Brotherton:
«Ce que nous proposons, c'est que ces mottes poussiéreuses bougent. Certains se heurtent et fusionnent et changent de vitesse. Peut-être qu'ils se déplacent dans le quasar, où vit le trou noir. Certains des amas proviennent de la région large. Certains se font virer. »
En fin de compte, leur nouveau modèle suggère que des amas de matière perturbés par la marée provenant d'un tore de trou noir pourraient représenter la source du gaz BLR. Comparé aux modèles précédents, celui conçu par le Dr Wang et ses collègues établit une connexion entre différents processus et composants clés à proximité d'une SMBH. Il s'agit notamment de l'alimentation du trou noir, de la source de gaz photoionisé et du tore poussiéreux lui-même.
Bien que cette recherche ne résout pas tous les mystères entourant les AGN, il s'agit d'une étape importante vers l'obtention d'estimations de masse précises des SMBH sur la base de leurs raies spectrales. À partir de ceux-ci, les astronomes pourraient déterminer plus précisément quel rôle ces trous noirs ont joué dans l'évolution des grandes galaxies.
L'étude a été rendue possible grâce au soutien du Programme national clé pour la recherche et le développement scientifiques et technologiques et du Programme clé de recherche des sciences pionnières, tous deux administrés par l'Académie chinoise des sciences.
