La distance entre le disque d'accrétion et l'intérieur du tore de poussière peut être vaste :des milliards ou des milliards de kilomètres. Même léger, voyager à 186, 000 milles (300, 000 kilomètres) par seconde, peut prendre des mois ou des années pour le traverser. Si les astronomes peuvent observer à la fois l'éclat initial de la lumière visible dans le disque d'accrétion et l'éclaircissement infrarouge ultérieur dans le tore, ils peuvent également mesurer le temps qu'il a fallu à la lumière pour se déplacer entre ces deux structures. Parce que la lumière voyage à une vitesse standard, cette information donne également aux astronomes la distance entre le disque et le tore.

Les scientifiques peuvent alors utiliser la mesure de distance pour calculer la luminosité du disque, et, en théorie, sa distance de la Terre. Voici comment :la température dans la partie du disque la plus proche du trou noir peut atteindre des dizaines de milliers de degrés, si élevée que même les atomes se déchirent et que les particules de poussière ne peuvent pas se former. La chaleur du disque réchauffe également la zone qui l'entoure, comme un feu de joie par une nuit froide. En s'éloignant du trou noir, la température diminue progressivement.

Les astronomes savent que la poussière se forme lorsque la température descend à environ 2, 200 degrés Fahrenheit (1, 200 degrés Celsius); plus le feu de joie est grand (ou plus le disque rayonne d'énergie), plus la poussière s'en éloigne. Donc mesurer la distance entre le disque d'accrétion et le tore révèle la production d'énergie du disque, qui est directement proportionnelle à sa luminosité.

Parce que la lumière peut prendre des mois ou des années pour traverser l'espace entre le disque et le tore, les astronomes ont besoin de données couvrant des décennies. La nouvelle étude s'appuie sur près de deux décennies d'observations en lumière visible de disques d'accrétion de trous noirs, capturés par plusieurs télescopes au sol. La lumière infrarouge émise par la poussière a été détectée par le Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer (NEOWISE) de la NASA, précédemment nommé WISE. Le vaisseau spatial inspecte le ciel entier environ une fois tous les six mois, offrant aux astronomes des occasions répétées d'observer les galaxies et de rechercher les signes de ces "échos" lumineux. L'étude a utilisé 14 relevés du ciel par WISE/NEOWISE, collectés entre 2010 et 2019. Dans certaines galaxies, la lumière a mis plus de 10 ans pour parcourir la distance entre le disque d'accrétion et la poussière, ce qui en fait les échos les plus longs jamais mesurés en dehors de la Voie lactée.

Galaxies lointaines, Loin

L'idée d'utiliser la cartographie par écho pour mesurer la distance de la Terre aux galaxies lointaines n'est pas nouvelle, mais l'étude fait des progrès substantiels pour démontrer sa faisabilité. La plus grande enquête unique du genre, l'étude confirme que la cartographie par écho se déroule de la même manière dans toutes les galaxies, indépendamment de variables telles que la taille d'un trou noir, qui peut varier considérablement à travers l'univers. Mais la technique n'est pas prête pour le prime time.

En raison de plusieurs facteurs, les mesures de distance des auteurs manquent de précision. Notamment, les auteurs ont dit, ils doivent mieux comprendre la structure des régions internes du beignet de poussière entourant le trou noir. Cette structure pourrait affecter des choses telles que les longueurs d'onde spécifiques de la lumière infrarouge émise par la poussière lorsque la lumière l'atteint pour la première fois.

Les données WISE ne couvrent pas toute la plage de longueur d'onde infrarouge, et un ensemble de données plus large pourrait améliorer les mesures de distance. Le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, devrait être lancé au milieu des années 2020, fournira des observations ciblées dans différentes gammes de longueurs d'onde infrarouges. La prochaine mission SPHEREx de l'agence (qui signifie Spectro-Photometer pour l'Histoire de l'Univers, Epoch of Reionization et Ices Explorer) étudiera l'ensemble du ciel dans plusieurs longueurs d'onde infrarouges et pourrait également aider à améliorer la technique.

"La beauté de la technique de cartographie par écho est que ces trous noirs supermassifs ne vont pas disparaître de sitôt, " dit Qian Yang, chercheur à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et auteur principal de l'étude, se référant au fait que les disques de trous noirs peuvent subir un torchage actif pendant des milliers, voire des millions d'années. "Nous pouvons donc mesurer les échos de poussière encore et encore pour le même système afin d'améliorer la mesure de distance."

Les mesures de distance basées sur la luminosité peuvent déjà être effectuées avec des objets appelés "bougies standard, " qui ont une luminosité connue. Un exemple est un type d'étoile qui explose appelée supernova de type 1a, qui a joué un rôle essentiel dans la découverte de l'énergie noire (le nom donné à la mystérieuse force motrice derrière l'expansion accélérée de l'univers). Les supernovas de type 1a ont toutes à peu près la même luminosité, les astronomes n'ont donc qu'à mesurer leur luminosité apparente pour calculer leur distance par rapport à la Terre.

Avec d'autres bougies standards, les astronomes peuvent mesurer une propriété de l'objet pour en déduire sa luminosité spécifique. C'est le cas de la cartographie d'écho, où chaque disque d'accrétion est unique mais la technique de mesure de la luminosité est la même. Il y a des avantages pour les astronomes à pouvoir utiliser plusieurs bougies standard, comme pouvoir comparer les mesures de distance pour confirmer leur exactitude, et chaque bougie standard a des forces et des faiblesses.

« La mesure des distances cosmiques est un défi fondamental en astronomie, donc la possibilité d'avoir un tour supplémentaire dans sa manche est très excitante, " a déclaré Yue Shen, également chercheur à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et co-auteur de l'article.