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    ALMA plonge dans la sphère d'influence des trous noirs

    Crédit :ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), B. Boizelle; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello; Télescope spatial Hubble (NASA/ESA); Enquête sur la galaxie Carnegie-Irvine

    Ce qui se passe à l'intérieur d'un trou noir reste à l'intérieur d'un trou noir, mais ce qui se passe à l'intérieur de la "sphère d'influence" d'un trou noir - la région la plus interne d'une galaxie où la gravité d'un trou noir est la force dominante - est d'un intérêt intense pour les astronomes et peut aider à déterminer la masse d'un trou noir ainsi que son impact sur son voisinage galactique.

    De nouvelles observations avec l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) fournissent une vue rapprochée sans précédent d'un disque tourbillonnant de gaz interstellaire froid tournant autour d'un trou noir supermassif. Ce disque se trouve au centre de NGC 3258, une galaxie elliptique massive à environ 100 millions d'années-lumière de la Terre. Sur la base de ces observations, une équipe dirigée par des astronomes de la Texas A&M University et de l'Université de Californie, Irvine, ont déterminé que ce trou noir pèse 2,25 milliards de masses solaires, le trou noir le plus massif mesuré avec ALMA à ce jour.

    Bien que les trous noirs supermassifs puissent avoir des masses qui sont des millions à des milliards de fois celles du Soleil, ils ne représentent qu'une petite fraction de la masse d'une galaxie entière. Isoler l'influence de la gravité d'un trou noir des étoiles, gaz interstellaire, et la matière noire dans le centre galactique est un défi et nécessite des observations très sensibles à des échelles incroyablement petites.

    "Observer le mouvement orbital de la matière aussi près que possible d'un trou noir est d'une importance vitale pour déterminer avec précision la masse du trou noir." dit Benjamin Boizelle, chercheur postdoctoral à la Texas A&M University et auteur principal de l'étude publiée dans le Journal d'astrophysique . "Ces nouvelles observations de NGC 3258 démontrent la puissance incroyable d'ALMA pour cartographier la rotation des disques gazeux autour des trous noirs supermassifs avec des détails époustouflants."

    Les astronomes utilisent diverses méthodes pour mesurer les masses des trous noirs. Dans les galaxies elliptiques géantes, la plupart des mesures proviennent d'observations du mouvement orbital des étoiles autour du trou noir, prises en lumière visible ou infrarouge. Une autre technique, en utilisant des masers à eau naturels (lasers à longueur d'onde radio) dans des nuages ​​de gaz en orbite autour des trous noirs, offre une plus grande précision, mais ces masers sont très rares et sont associés presque exclusivement à des galaxies spirales ayant des trous noirs plus petits.

    Au cours des dernières années, ALMA a lancé une nouvelle méthode pour étudier les trous noirs dans les galaxies elliptiques géantes. Environ 10 pour cent des galaxies elliptiques contiennent des disques en rotation régulière de froid, gaz dense en leurs centres. Ces disques contiennent du monoxyde de carbone (CO) gazeux, qui peut être observé avec des radiotélescopes de longueur d'onde millimétrique.

    En utilisant le décalage Doppler de l'émission des molécules de CO, les astronomes peuvent mesurer les vitesses des nuages ​​de gaz en orbite, et ALMA permet de résoudre les centres mêmes des galaxies où les vitesses orbitales sont les plus élevées.

    "Notre équipe étudie les galaxies elliptiques voisines avec ALMA depuis plusieurs années pour trouver et étudier des disques de gaz moléculaire tournant autour de trous noirs géants, " a déclaré Aaron Barth de l'UC Irvine, un co-auteur de l'étude. "NGC 3258 est la meilleure cible que nous ayons trouvée, parce que nous sommes capables de suivre la rotation du disque plus près du trou noir que dans n'importe quelle autre galaxie."

    Tout comme la Terre orbite autour du Soleil plus rapidement que Pluton parce qu'elle subit une force gravitationnelle plus forte, les régions internes du disque NGC 3258 orbitent plus rapidement que les parties externes en raison de la gravité du trou noir. Les données ALMA montrent que la vitesse de rotation du disque passe de 1 million de kilomètres par heure à son bord extérieur, à environ 500 années-lumière du trou noir, à plus de 3 millions de kilomètres par heure près du centre du disque à une distance de seulement 65 années-lumière du trou noir.

    Les chercheurs ont déterminé la masse du trou noir en modélisant la rotation du disque, compte de la masse supplémentaire des étoiles dans la région centrale de la galaxie et d'autres détails tels que la forme légèrement déformée du disque gazeux. La détection claire de la rotation rapide a permis aux chercheurs de déterminer la masse du trou noir avec une précision supérieure à un pour cent, bien qu'ils estiment une incertitude systématique supplémentaire de 12 pour cent dans la mesure parce que la distance à NGC 3258 n'est pas connue très précisément. Même en tenant compte de la distance incertaine, c'est l'une des mesures de masse les plus précises pour n'importe quel trou noir en dehors de la galaxie de la Voie lactée.

    "Le prochain défi est de trouver plus d'exemples de disques rotatifs presque parfaits comme celui-ci afin que nous puissions appliquer cette méthode pour mesurer les masses des trous noirs dans un plus grand échantillon de galaxies, " a conclu Boizelle. " Des observations ALMA supplémentaires qui atteignent ce niveau de précision nous aideront à mieux comprendre la croissance des galaxies et des trous noirs à travers l'âge de l'univers. "


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