Le rendu d'un artiste des régions intérieures d'une galaxie/quasar actif, avec un trou noir supermassif au centre entouré d'un disque de matière chaude tombant dedans. L'encart en bas à droite montre comment la luminosité de la lumière provenant des deux régions différentes change avec le temps. Le panneau supérieur du graphique montre la région de « continuum », qui prend naissance à proximité du trou noir (le voisinage général est indiqué par la forme « swoosh »). Le panneau inférieur montre la région de la ligne d'émission H-bêta, qui provient de l'hydrogène gazeux se déplaçant rapidement plus loin du trou noir (le voisinage général est indiqué par l'autre « swoosh »). La durée couverte par ces deux courbes de lumière est d'environ six mois. L'intrigue du bas « fait écho » à celle du haut, avec un léger retard d'environ 10 jours indiqué par la ligne verticale. Cela signifie que la distance entre ces deux régions est d'environ 10 jours-lumière (environ 150 milliards de miles, ou 240 millions de kilomètres). Crédit :Nahks Tr'Ehnl (www.nahks.com) et Catherine Grier (The Pennsylvania State University) et la collaboration SDSS
Aujourd'hui, Les astronomes du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ont annoncé de nouvelles mesures des masses d'un large échantillon de trous noirs supermassifs bien au-delà de l'Univers local.
Les résultats, présenté à la réunion de l'American Astronomical Society (AAS) à National Harbor, Maryland et publié dans le Journal d'astrophysique , représentent une avancée majeure dans notre capacité à mesurer les masses de trous noirs supermassifs dans un grand nombre de quasars et de galaxies distants.
"C'est la première fois que nous mesurons directement les masses d'autant de trous noirs supermassifs si loin, " dit Catherine Grier, chercheur postdoctoral à la Pennsylvania State University et auteur principal de ce travail. « Ces nouvelles mesures, et futures mesures comme eux, fournira des informations vitales aux personnes qui étudient la croissance et l'évolution des galaxies tout au long du temps cosmique."
Les trous noirs supermassifs (SMBH) se trouvent au centre de presque toutes les grandes galaxies, y compris ceux des confins les plus éloignés de l'Univers. L'attraction gravitationnelle de ces trous noirs supermassifs est si grande que la poussière et le gaz à proximité de la galaxie hôte sont inexorablement attirés. Le matériau qui tombe chauffe à des températures si élevées qu'il brille suffisamment pour être vu tout au long de l'Univers. Ces disques brillants de gaz chauds sont connus sous le nom de "quasars, " et ils sont des indicateurs clairs de la présence de trous noirs supermassifs. En étudiant ces quasars, nous apprenons non seulement sur les SMBH, mais aussi sur les galaxies lointaines dans lesquelles ils vivent. Mais pour faire tout cela, il faut des mesures des propriétés des SMBH, surtout leurs masses.
Le problème est que mesurer les masses des SMBH est une tâche ardue. Les astronomes mesurent les masses SMBH dans les galaxies voisines en observant des groupes d'étoiles et de gaz près du centre de la galaxie. ces techniques ne fonctionnent pas pour les galaxies plus lointaines, car ils sont si éloignés que les télescopes ne peuvent pas résoudre leurs centres. Les mesures directes de masse SMBH dans des galaxies plus éloignées sont effectuées à l'aide d'une technique appelée « cartographie de réverbération ».
La cartographie de la réverbération fonctionne en comparant la luminosité de la lumière provenant du gaz très proche du trou noir (appelée lumière "continue") à la luminosité de la lumière provenant du gaz se déplaçant rapidement plus loin. Les changements se produisant dans la région du continuum ont un impact sur la région externe, mais la lumière met du temps à voyager vers l'extérieur, ou "réverbérer". Cette réverbération signifie qu'il existe un délai entre les variations observées dans les deux régions. En mesurant cette temporisation, les astronomes peuvent déterminer à quelle distance le gaz se trouve du trou noir. Sachant que la distance leur permet de mesurer la masse du trou noir supermassif, même s'ils ne peuvent pas voir les détails du trou noir lui-même.
Au cours des 20 dernières années, les astronomes ont utilisé la technique de cartographie de la réverbération pour mesurer laborieusement les masses d'environ 60 SMBH dans les galaxies actives voisines. La cartographie de la réverbération nécessite d'obtenir des observations de ces galaxies actives, maintes et maintes fois pendant plusieurs mois - et donc pour la plupart, les mesures ne sont effectuées que pour une poignée de galaxies actives à la fois. En utilisant la technique de cartographie de réverbération sur les quasars, qui sont plus loin, est encore plus difficile, nécessitant des années d'observations répétées. En raison de ces difficultés d'observation, les astronomes n'avaient utilisé avec succès la cartographie de la réverbération pour mesurer les masses SMBH que pour une poignée de quasars plus éloignés, jusqu'à présent.
Un graphique des masses connues des trous noirs supermassifs à divers « temps d'analyse, " qui mesure le temps dans le passé que nous voyons lorsque nous regardons chaque quasar. Les quasars plus éloignés ont des temps d'analyse plus longs (puisque leur lumière met plus de temps à voyager jusqu'à la Terre), nous les voyons donc tels qu'ils sont apparus dans un passé plus lointain. L'Univers a environ 13,8 milliards d'années, le graphique remonte donc à l'époque où l'Univers avait environ la moitié de son âge actuel. Les masses de trous noirs mesurées dans ce travail sont représentées par des cercles violets, tandis que les carrés gris montrent les masses de trous noirs mesurées par des projets de cartographie de réverbération antérieurs. Les tailles des carrés et des cercles sont liées aux masses des trous noirs qu'ils représentent. Le graphique montre des trous noirs de 5 millions à 1,7 milliard de fois la masse du soleil. Crédit :Catherine Grier (The Pennsylvania State University) et la collaboration SDSS
Dans ce nouveau travail, L'équipe de Grier a utilisé une application à l'échelle industrielle de la technique de cartographie de la réverbération dans le but de mesurer les masses des trous noirs dans des dizaines à des centaines de quasars. La clé du succès du projet SDSS Reverberation Mapping réside dans la capacité du SDSS à étudier plusieurs quasars à la fois – le programme observe actuellement environ 850 quasars simultanément. Mais même avec le puissant télescope du SDSS, c'est une tâche difficile car ces quasars lointains sont incroyablement faibles.
"Vous devez calibrer ces mesures très soigneusement pour vous assurer de bien comprendre ce que fait le système quasar, " dit Jon Trump, professeur assistant à l'Université du Connecticut et membre de l'équipe de recherche.
Des améliorations dans les étalonnages ont été obtenues en observant également les quasars avec le télescope Canada-France-Hawaï (CFHT) et le télescope Steward Observatory Bok situé à Kitt Peak au cours de la même saison d'observation. Une fois toutes les observations compilées et le processus d'étalonnage terminé, l'équipe a trouvé des délais de réverbération pour 44 quasars. Ils ont utilisé ces mesures de retard pour calculer les masses des trous noirs qui vont d'environ 5 millions à 1,7 milliard de fois la masse de notre soleil.
"C'est un grand pas en avant pour la science des quasars, " dit Aaron Barth, professeur d'astronomie à l'Université de Californie, Irvine qui n'était pas impliqué dans les recherches de l'équipe. "Ils ont montré pour la première fois que ces mesures difficiles peuvent être effectuées en mode de production de masse."
Ces nouvelles mesures SDSS augmentent d'environ deux tiers le nombre total de galaxies actives avec des mesures de masse SMBH, et repousser les mesures plus loin dans le temps, alors que l'Univers n'avait que la moitié de son âge actuel. Mais l'équipe ne s'arrête pas là, elle continue d'observer ces 850 quasars avec SDSS, et les années supplémentaires de données leur permettront de mesurer les masses de trous noirs dans des quasars encore plus éloignés, qui ont des délais plus longs qui ne peuvent pas être mesurés avec une seule année de données.
« Obtenir des observations de quasars sur plusieurs années est crucial pour obtenir de bonnes mesures, " dit Yue Shen, professeur adjoint à l'Université de l'Illinois et chercheur principal du projet SDSS Reverberation Mapping. "Alors que nous poursuivons notre projet de surveiller de plus en plus de quasars pour les années à venir, nous pourrons mieux comprendre comment les trous noirs supermassifs se développent et évoluent."
L'avenir du SDSS offre de nombreuses autres possibilités passionnantes d'utilisation de la cartographie de la réverbération pour mesurer les masses de trous noirs supermassifs à travers l'Univers. Après la fin de la quatrième phase actuelle du SDSS en 2020, la cinquième phase du programme, SDSS-V, commence. SDSS-V propose un nouveau programme appelé Black Hole Mapper, qui prévoit de mesurer les masses SMBH dans plus de 1, 000 autres quasars, poussant plus loin dans l'Univers que tout autre projet de cartographie de la réverbération jamais réalisé auparavant.
"Le Black Hole Mapper nous permettra d'entrer dans l'ère de la cartographie de la réverbération des trous noirs supermassifs à une véritable échelle industrielle, " dit Niel Brandt, professeur d'astronomie et d'astrophysique à la Pennsylvania State University et membre de longue date du SDSS. "Nous en apprendrons plus sur ces objets mystérieux que jamais auparavant."
