Les astronomes ont découvert un type de trou noir supermassif en croissance se faisant passer pour un autre, grâce à une série de télescopes, dont l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA. La véritable identité de ces trous noirs aide à résoudre un mystère de longue date en astrophysique.

Les trous noirs mal identifiés proviennent d'une enquête connue sous le nom de Chandra Deep Field-South (CDF-S), l'image radiographique la plus profonde jamais prise.

Les trous noirs supermassifs se développent en attirant les matériaux environnants, qui est chauffé et produit un rayonnement à une large gamme de longueurs d'onde, y compris les rayons X. De nombreux astronomes pensent que cette croissance comprend une phase, qui s'est passé il y a des milliards d'années, quand un cocon dense de poussière et de gaz recouvre la plupart des trous noirs. Ces cocons de matière sont la source de carburant qui permet au trou noir de se développer et de générer des radiations.

Sur la base de l'image actuelle détenue par les astronomes, de nombreux trous noirs immergés dans un tel cocon (appelés trous noirs « fortement obscurcis ») devraient exister. Cependant, ce type de trou noir en croissance est notoirement difficile à trouver, et jusqu'à présent, le nombre observé est en deçà des prédictions, même dans les images les plus profondes comme le CDF-S.

"Avec nos nouvelles identifications, nous avons trouvé un tas de trous noirs fortement obscurcis qui avaient déjà été manqués, " a déclaré Erini Lambrides de l'Université Johns Hopkins (JHU) à Baltimore, Maryland, qui a dirigé l'étude. "Nous aimons dire que nous avons trouvé ces trous noirs géants, mais ils étaient vraiment là depuis le début."

La dernière étude a combiné plus de 80 jours de temps d'observation de Chandra dans le CDF-S avec de grandes quantités de données à différentes longueurs d'onde provenant d'autres observatoires, y compris le télescope spatial Hubble de la NASA et le télescope spatial Spitzer de la NASA. L'équipe a examiné des trous noirs situés à 5 milliards d'années-lumière ou plus de la Terre. A ces distances, les scientifiques en avaient déjà trouvé 67 fortement obscurcis, des trous noirs en croissance avec à la fois des données à rayons X et infrarouges dans le CDF-S. Dans cette dernière étude, les auteurs en ont identifié 28 autres.

Ces 28 trous noirs supermassifs étaient auparavant classés différemment, soit comme des trous noirs à croissance lente avec une faible densité ou des cocons inexistants, ou comme galaxies lointaines.

"Cela pourrait être considéré comme un cas d'identité erronée de trou noir, " a déclaré le co-auteur Marco Chiaberge du Space Telescope Science Institute à Baltimore, Maryland, "mais ces trous noirs sont exceptionnellement bons pour cacher exactement ce qu'ils sont."

Lambrides et ses collègues ont comparé leurs données avec les attentes d'un trou noir en croissance typique. En utilisant les données de toutes les longueurs d'onde à l'exception des rayons X, ils ont prédit la quantité de rayons X qu'ils devraient détecter à partir de chaque trou noir. Les chercheurs ont trouvé un niveau de rayons X bien inférieur à ce qu'ils attendaient de 28 sources, ce qui implique que le cocon qui les entoure est environ dix fois plus dense que ce que les scientifiques estimaient auparavant pour ces objets.

Compte tenu de la densité plus élevée du cocon, l'équipe a montré que les trous noirs mal identifiés produisent plus de rayons X qu'on ne le pensait auparavant, mais le cocon plus dense empêche la plupart de ces rayons X de s'échapper et d'atteindre le télescope Chandra. Cela implique qu'ils grandissent plus rapidement.

Les groupes précédents n'ont pas appliqué la technique d'analyse adoptée par Lambrides et son équipe, ils n'ont pas non plus utilisé l'ensemble des données disponibles pour le CDF-S, leur donnant peu d'informations sur la densité des cocons.

Ces résultats sont importants pour les modèles théoriques estimant le nombre de trous noirs dans l'univers et leurs taux de croissance, y compris ceux avec différents degrés d'obscurcissement (en d'autres termes, la densité de leurs cocons). Les scientifiques conçoivent ces modèles pour expliquer une lueur uniforme dans les rayons X à travers le ciel appelée "fond de rayons X, " découvert pour la première fois dans les années 1960. Des trous noirs individuels en croissance observés dans des images comme le CDF-S représentent la majeure partie du fond de rayons X.

Le bruit de fond des rayons X qui n'est actuellement pas résolu en sources individuelles est dominé par les rayons X avec des énergies supérieures au seuil que Chandra peut détecter. Les trous noirs fortement obscurcis sont une explication naturelle de cette composante non résolue car les rayons X de basse énergie sont absorbés par le cocon plus que ceux de haute énergie, et sont donc moins détectables. Les trous noirs supplémentaires fortement obscurcis rapportés ici aident à réconcilier les différences passées entre les modèles théoriques et les observations.

"C'est comme si l'arrière-plan des rayons X était une image floue qui s'est lentement mise au point depuis des décennies, " a déclaré le co-auteur Roberto Gilli de l'Institut national d'astrophysique (INAF) de Bologne, Italie. "Notre travail a consisté à comprendre la nature des objets qui ont été parmi les derniers à être résolus."

En plus d'aider à expliquer le contexte des rayons X, ces résultats sont importants pour comprendre l'évolution des trous noirs supermassifs et de leurs galaxies hôtes. Les masses des galaxies et de leurs trous noirs supermassifs sont corrélées entre elles, ce qui signifie que plus la galaxie est massive, plus le trou noir est massif.

Un article présentant les résultats de cette étude est en cours de publication dans The Journal d'astrophysique . Les autres auteurs de l'article sont Timothy Heckman de JHU; Fabio Vito de la Pontificia Universidad Católica de Chile, à Santiago, Chili; et Colin Norman de JHU.

Le Marshall Space Flight Center de la NASA gère le programme Chandra. Le Chandra X-ray Center du Smithsonian Astrophysical Observatory contrôle la science et les opérations aériennes depuis Cambridge et Burlington, Massachusetts.