Les trous noirs sont l'une des forces de la nature les plus intrigantes et impressionnantes. Ils sont également l'un des plus mystérieux en raison de la façon dont les règles de la physique conventionnelle se décomposent en leur présence. Malgré des décennies de recherches et d’observations, il y a encore beaucoup de choses que nous ignorons à leur sujet. En fait, jusqu'à récemment, les astronomes n'avaient jamais vu d'image de trou noir et étaient incapables de mesurer leur masse.
Cependant, une équipe de physiciens de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) a récemment annoncé avoir conçu un moyen de mesurer indirectement la masse d'un trou noir tout en confirmant son existence. Dans une étude récente, ils ont montré comment ils ont testé cette méthode sur le trou noir supermassif récemment imagé au centre de la galaxie active Messier 87.
L'étude est parue dans le numéro d'août du Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. Outre des chercheurs du MIPT, l’équipe comprenait des membres de l’Institut commun pour l’ERIC VLBI (JIVE) basé aux Pays-Bas, de l’Institut d’astronomie et d’astrophysique de l’Académie Sinica à Taïwan et de l’Observatoire Mizusawa VLBI de NOAJ au Japon.
Depuis des décennies, les astronomes savent que la plupart des galaxies massives ont un trou noir supermassif (SMBH) en leur centre. La présence de ce SMBH conduit à une quantité considérable d'activité dans le cœur, où le gaz et la poussière tombent dans un disque d'accrétion et accélèrent à des vitesses qui les font émettre de la lumière, ainsi que la radio, les micro-ondes, les rayons X et les rayons gamma. rayonnement de rayons.
Pour certaines galaxies, la quantité de rayonnement produite par la région centrale est si brillante qu'elle domine en fait la lumière provenant de toutes les étoiles de son disque combinées. Celles-ci sont connues sous le nom de galaxies à noyaux galactiques actifs (AGN) car elles ont des noyaux actifs et les autres galaxies sont relativement «silencieuses». Un autre identifiant révélateur qu'une galaxie est active sont les longs faisceaux de matière surchauffée qui s'étendent.
Ces «jets relativistes», qui peuvent s'étendre sur des millions d'années-lumière vers l'extérieur, sont ainsi nommés parce que le matériau qu'ils contiennent est accéléré à une fraction de la vitesse de la lumière. Bien que ces jets ne soient pas encore entièrement compris, le consensus actuel est qu'ils sont produits par un certain «effet moteur» provoqué par une SMBH à rotation rapide.
Un bon exemple d'une galaxie active avec un jet relativiste est Messier 87 (alias. Vierge A), une galaxie supergéante située dans la direction de la Constellation de la Vierge. Cette galaxie est la galaxie active la plus proche de la Terre, et donc l'une des mieux étudiées. Découvert à l'origine en 1781 par Charles Messier (qui l'a confondu avec une nébuleuse), il a été étudié régulièrement depuis. En 1918, son jet optique est devenu le premier du genre à être observé.
Grâce à sa proximité, les astronomes ont pu étudier méticuleusement le jet du Messier 87 - cartographier sa structure et les vitesses du plasma et mesurer les températures et les densités de particules près du jet. Les limites du jet ont été étudiées dans les moindres détails, les chercheurs ont découvert qu'il était homogène sur toute sa longueur et qu'il changeait de forme au fur et à mesure qu'il s'étendait (passant de parabolique à conique).
Toutes ces observations ont permis aux astronomes de tester des hypothèses concernant la structure des galaxies actives et la relation entre les changements de forme du jet et l’influence du trou noir dans le noyau galactique. Dans ce cas, l'équipe de recherche internationale a profité de cette relation et pour déterminer la masse des M87 SMBH.
L'équipe s'est également appuyée sur des modèles théoriques qui prédisent la rupture d'un jet, ce qui leur a permis de créer un modèle où la masse d'un SMBH reproduirait avec précision la forme observée du jet du M87. En mesurant la largeur du jet et la distance entre le noyau et la rupture de sa forme, ils ont également constaté que la limite du jet du M87 est composée de deux segments avec deux courbes distinctes.
Au final, la combinaison de modèles théoriques, d’observations et de calculs informatiques a permis à l’équipe d’obtenir une mesure indirecte de la masse et de la vitesse de rotation du trou noir. Cette étude fournit non seulement un nouveau modèle d'estimation des trous noirs et un nouveau moyen de mesure pour les jets, mais confirme également les hypothèses sous-jacentes à la structure des jets
Essentiellement, les résultats de l’équipe décrivent le jet comme un écoulement de fluide magnétisé, dont la forme est déterminée par le champ électromagnétique qu’il contient. Ceci, à son tour, dépend de choses comme la vitesse et la charge des particules du jet, le courant électrique à l'intérieur du jet et la vitesse à laquelle le SMBH augmente la matière de son disque environnant.
L'interaction entre tous ces facteurs est à l'origine de la rupture observée dans la forme d'un jet, qui peut ensuite être utilisée pour extrapoler la masse des SMBH et la vitesse à laquelle il tourne. Elena Nokhrina, chef adjoint du laboratoire MIPT impliqué dans l'étude et auteur principal du document de l'équipe, décrit la méthode qu'ils ont développée de la manière suivante:
«La nouvelle méthode indépendante d'estimation de la masse et du spin des trous noirs est le résultat clé de notre travail. Même si sa précision est comparable à celle des méthodes existantes, elle présente l'avantage de nous rapprocher de l'objectif final. À savoir, affiner les paramètres du «moteur» de base pour mieux comprendre sa nature. »
Grâce à la disponibilité d'instruments sophistiqués pour étudier les SMBH (comme le télescope Event Horizon) et aux télescopes spatiaux de prochaine génération qui seront bientôt opérationnels, il ne faudra pas longtemps pour que ce nouveau modèle soit testé de manière approfondie. Un bon candidat serait le Sagittaire A *, le SMBH au centre de notre galaxie qui est estimé entre 3,5 millions et 4,7 millions de masses solaires.
En plus de placer des contraintes plus précises sur cette masse, les observations futures pourraient également déterminer à quel point le noyau de notre galaxie est actif (ou inactif). Ces mystères et d'autres trous noirs vous attendent!
