Le télescope spatial Spitzer de la NASA capture la galaxie NGC 4395 en lumière infrarouge. NGC 4395 est d'environ 1, 000 fois plus petit que la Voie Lactée, et une équipe d'astronomes comprenant Elena Gallo d'UM a déterminé la masse du trou noir en son centre. Crédit :NASA
Si les astronomes veulent en savoir plus sur la formation des trous noirs supermassifs, ils doivent commencer petit—vraiment petit, astronomiquement parlant.
En réalité, une équipe comprenant l'astronome de l'Université du Michigan, Elena Gallo, a découvert qu'un trou noir au centre d'une galaxie naine voisine, appelé NGC 4395, est environ 40 fois plus petit qu'on ne le pensait auparavant. Leurs conclusions sont publiées dans la revue Astronomie de la nature .
Actuellement, les astronomes pensent que les trous noirs supermassifs se trouvent au centre de chaque galaxie aussi massive ou plus grande que la Voie lactée. Mais ils sont également curieux de connaître les trous noirs dans les galaxies plus petites telles que NGC 4395. Connaître la masse du trou noir au centre de NGC 4395 et pouvoir la mesurer avec précision peut aider les astronomes à appliquer ces techniques à d'autres trous noirs.
"La question reste ouverte pour les galaxies petites ou naines :ces galaxies ont-elles des trous noirs, et s'ils le font, Est-ce qu'ils évoluent de la même manière que les trous noirs supermassifs?" Gallo a déclaré. "Répondre à ces questions pourrait nous aider à comprendre le mécanisme même par lequel ces trous noirs monstres ont été assemblés lorsque l'univers était à ses balbutiements."
Pour déterminer la masse du trou noir de NGC, Gallo et ses collègues chercheurs ont utilisé la cartographie de la réverbération. Cette technique mesure la masse en surveillant le rayonnement émis par ce qu'on appelle un disque d'accrétion autour du trou noir. Un disque d'accrétion est une masse de matière collectée par l'attraction gravitationnelle des trous noirs.
Au fur et à mesure que le rayonnement se déplace vers l'extérieur de ce disque d'accrétion, il traverse un autre nuage de matière plus éloigné du trou noir qui est plus diffus que le disque d'accrétion. Cette zone est appelée la région de la ligne large.
Lorsque le rayonnement frappe le gaz dans la région de la ligne large, il fait subir aux atomes qu'il contient une transition. Cela signifie que le rayonnement fait sortir un électron de la coquille d'un atome d'hydrogène, par exemple, amenant l'atome à occuper un niveau plus énergétique de l'atome. Une fois le rayonnement passé, l'atome revient à son état antérieur. Les astronomes peuvent imaginer cette transition, qui ressemble à un éclair de luminosité.
Écho lumineux mesuré depuis le trou noir central dans une galaxie naine NGC 4395. Le délai entre le continuum du disque d'accrétion du trou noir (courbe de lumière bleue) et l'émission d'hydrogène des nuages de gaz en orbite (courbe de lumière rouge) est mesuré à ~ 80 min., fournissant le temps de trajet de la lumière du trou noir à la région d'émission de gaz. Crédit pour l'image NGC 4395 :Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/Université de l'Arizona. Crédit pour l'illustration du disque d'accrétion :NASA/Chandra X-ray Observatory/M. Weiss.
En mesurant combien de temps il faut pour que le rayonnement du disque d'accrétion atteigne la région de la ligne large et provoque ces flashs, les astronomes peuvent estimer à quelle distance la région de la ligne large est du trou noir. En utilisant ces informations, ils peuvent alors calculer la masse du trou noir.
"On pense que la distance dépend de la masse du trou noir, " dit Gallo. " Plus le trou noir est grand, plus la distance est grande et plus vous vous attendez à ce que la lumière soit émise par le disque d'accrétion pour atteindre la région de la ligne large."
En utilisant les données de l'Observatoire MDM, les astronomes ont calculé qu'il a fallu environ 83 minutes, donner ou prendre 14 minutes, pour que le rayonnement atteigne la région de la ligne large à partir du disque d'accrétion. Pour calculer la masse du trou noir, ils devaient également mesurer la vitesse intrinsèque de la région des grandes lignes, qui est la vitesse à laquelle le nuage de la région se déplace sous l'influence de la gravité du trou noir. Pour faire ça, ils ont pris un spectre de haute qualité avec le spectromètre GMOS sur le télescope GEMINI North.
En connaissant ce numéro, la vitesse de la région des grandes lignes, la vitesse de la lumière et ce qu'on appelle la constante gravitationnelle, ou une mesure de la force gravitationnelle, les astronomes ont pu déterminer que la masse du trou noir était d'environ 10, 000 fois la masse de notre soleil—environ 40 fois plus léger qu'on ne le pensait auparavant. C'est aussi le plus petit trou noir trouvé par cartographie de réverbération.
"Ce régime de galaxies naines est largement inexploré en ce qui concerne les propriétés de leurs trous noirs nucléaires, " a déclaré Gallo. "Nous ne savons même pas si chaque galaxie a un trou noir. Cela ajoute un nouveau membre à la famille des trous noirs sur lesquels nous avons des informations."
Ces informations pourraient également aider les astronomes à comprendre à quel point les trous noirs plus grands façonnent les galaxies qu'ils occupent. Un champ appelé rétroaction des trous noirs explore comment les trous noirs affectent les propriétés de leurs galaxies hôtes à des échelles beaucoup plus grandes que celles que leur attraction gravitationnelle devrait atteindre.
"Il n'y a aucune raison pour que les étoiles qui vivent à des ordres de grandeur plus grands que la zone où la gravité du trou noir domine devraient même savoir qu'il y a un trou noir dans leur galaxie, mais d'une manière ou d'une autre ils le font, " a déclaré Gallo. " Les trous noirs façonnent en quelque sorte la galaxie dans laquelle ils vivent à très grande échelle, et parce que nous ne savons pas grand-chose sur les petites galaxies avec leurs petits trous noirs, nous ne savons pas si c'est vrai tout le long. Avec cette mesure, nous pouvons ajouter plus d'informations à cette relation."
Ce résultat est le fruit d'un partenariat entre U-M Astronomy et le Département de physique et d'astronomie de l'Université nationale de Séoul. Les observations ont été faites à l'observatoire GEMINI North à Hawaï et à l'observatoire MDM en Arizona. GEMINI est opéré par un partenariat entre les États-Unis, Canada, Chili, Brésil, Argentine et Corée.
