Les jets lointains nous donnent des indices sur la taille des trous noirs supermassifs

Vue d'artiste d'un jet radio émanant d'un trou noir supermassif. ESO/M. kornmesser

Au centre de chaque galaxie se trouve un trou noir supermassif, un monstre qui maintient ensemble le voisinage des étoiles et des planètes, du gaz et de la poussière. Au fil des décennies depuis que les astronomes ont commencé à les étudier sérieusement, nous avons confirmé que ces objets existent bel et bien ; nous avons appris qu'ils sont probablement essentiels pour aider à la formation des étoiles ; et nous avons même développé une technique pour les imager directement . Cependant, une grande question a laissé les astronomes perplexes : comment ces bêtes deviennent-elles si massives, si rapidement ?

Ils peuvent résider dans des jets astrophysiques – des éclats de particules énergisées et des radiations que les trous noirs supermassifs émettent occasionnellement. Nous ne savons pas exactement pourquoi ils font cela, mais deux nouvelles études record de la même équipe internationale d'astronomes suggèrent que, quelle qu'en soit la cause, ces jets pourraient aider à la croissance des trous noirs supermassifs.

Le premier constat, rapporté dans l'Astrophysical Journal , est la découverte d'un trou noir supermassif à 13 milliards d'années-lumière, 300 fois plus massif que le soleil. Les astronomes ont utilisé les observations infrarouges du télescope de Magellan à l'observatoire de Las Campanas au Chili pour confirmer qu'il s'agit de la source d'un jet détecté pour la première fois en 2015. Ce trou noir supermassif est maintenant le trou noir producteur de jets le plus éloigné (c'est-à-dire le plus ancien) de tous les temps. détectée.

La deuxième, dans une étude de prépublication qui sera bientôt publiée dans l'Astrophysical Journal, est la découverte d'un jet astrophysique d'un trou noir supermassif à 12,7 milliards d'années-lumière et plus d'un milliard de fois plus massif que le soleil, découvert pour la première fois en 2018. L'équipe a utilisé le Chandra X de la NASA -ray Observatory, qui recherche les émissions de rayons X d'objets très chauds dans l'univers, pour faire ces observations. C'est le jet astrophysique le plus éloigné jamais observé en rayons X.

Chaque ensemble de résultats bat des records d'astronomie ésotérique, mais ce n'est pas pour cela qu'ils sont importants. Les deux aident à expliquer pourquoi les trous noirs supermassifs sont capables de se développer si rapidement même s'ils libèrent constamment de la matière à haute énergie. Ce que l'équipe a trouvé est la première preuve de ce genre que les jets encourager l'alimentation rapide d'un trou noir.

Dans la première enquête, après que Magellan a confirmé l'existence du trou noir, l'équipe a utilisé d'autres instruments, comme le Very Large Telescope au Chili, pour discerner d'autres propriétés du trou noir et de son jet, comme la masse.

Les données supplémentaires montrent comment les jets encouragent l'alimentation. La force gravitationnelle intense du trou noir essaie d'attirer des quantités massives de gaz et de poussière dans son horizon des événements (le point de non-retour). Cette matière a un moment cinétique, ce qui signifie qu'elle ne se contente pas de tomber directement, elle orbite autour de l'horizon des événements. Pendant ce temps, la pression de rayonnement dans la zone (créée par la friction et la contrainte dans le disque de matière en orbite se réchauffant jusqu'à ce qu'elle devienne incandescente) continue d'éloigner le gaz de l'horizon des événements.

Ce qui se passe est un peu complexe, mais essentiellement le faisceau de particules hautement énergétiques du jet enlève le moment cinétique du gaz lorsqu'il se déplace vers l'extérieur. Et contrairement à la pression de rayonnement, qui brille et pousse dans toutes les directions, le jet est étroit, et il est donc à peine capable d'interagir avec et d'affecter les couches de gaz moins denses plus éloignées. Avec un moyen pour le gaz de perdre son moment cinétique avec peu de recul, une grande partie du gaz entourant l'horizon des événements tombe simplement dedans.

De cette façon, le jet garantit que le trou noir ne travaille pas activement contre lui-même – il est capable de continuer à se nourrir, explique Thomas Connor, astronome de la NASA et co-auteur des deux articles. Bien que les scientifiques soupçonnent que les jets pourraient jouer un rôle dans l'encouragement du processus d'alimentation, jusqu'à présent, nous n'avons pas vraiment vu de preuves convaincantes pour cela, dit-il.

L'étude aux rayons X renforce cette idée. Ces observations ont révélé que le jet a parcouru 150 000 années-lumière de sa source, ce qui en fait la première observation aux rayons X de jets de plus de quelques milliers d'années-lumière. Cette détection de rayons X à grande échelle signifie que ces jets fonctionnent depuis des périodes incroyablement longues, explique Connor. Ce ne sont pas simplement des impulsions transitoires, mais elles ont duré des centaines de milliers d'années, suffisamment de temps pour réellement aider un trou noir supermassif à se nourrir et à se développer très rapidement. Nous savons maintenant qu'il s'agit d'un processus à long terme, et c'est ainsi que ces jets sont réellement capables d'aider ces trous noirs supermassifs à s'accumuler, dit-il. C'est la pièce manquante qui relie 15 ans de théorie à notre situation actuelle.

Les deux études aident à jeter les bases de découvertes de suivi qui pourraient nous aider à en savoir plus sur la façon dont les trous noirs supermassifs ont évolué et contribué à façonner l'univers primitif. Nous avons maintenant une meilleure idée de la façon de rechercher des trous noirs de ces temps anciens, ainsi que la compréhension que davantage d'observations de rayons X pourraient être essentielles pour comprendre comment fonctionne la dynamique d'alimentation par jet.

Pour Connor, ces observations supplémentaires seront la clé. Et il est plutôt encouragé après le coup de poing une-deux de cette semaine. La découverte indique, espérons-le, qu'il y a beaucoup plus de ces objets là-bas, dit-il, et j'espère que nous pourrons à nouveau battre le record de distance assez tôt.

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