Les chercheurs utilisant le prochain télescope spatial James Webb de la NASA cartographieront et modéliseront le noyau de la galaxie voisine Centaurus A.

Centaurus A est un géant d'une galaxie, mais ses apparitions dans les observations au télescope peuvent être trompeuses. Des pistes de poussière sombre et de jeunes amas d'étoiles bleues, qui sillonnent sa région centrale, sont apparents dans l'ultraviolet, visible, et la lumière proche infrarouge, peindre un paysage assez tamisé. Mais en passant aux vues aux rayons X et à la lumière radio, une scène bien plus tapageuse commence à se dérouler :du cœur de la galaxie elliptique difforme, des jets de matière spectaculaires sont sortis de son trou noir supermassif actif, connu sous le nom de noyau galactique actif, envoyant de la matière dans l'espace bien au-delà des limites de la galaxie.

Quoi, précisément, se passe-t-il à sa base pour provoquer toute cette activité? Les observations à venir menées par Nora Lützgendorf et Macarena García Marín de l'Agence spatiale européenne à l'aide du télescope spatial James Webb de la NASA permettront aux chercheurs de scruter pour la première fois son noyau poussiéreux en haute résolution pour commencer à répondre à ces questions.

"Il se passe tellement de choses dans Centaurus A, " explique Lützgendorf. " Le gaz de la galaxie, disque, et les étoiles se déplacent toutes sous l'influence de son trou noir supermassif central. Puisque la galaxie est si proche de nous, nous pourrons utiliser Webb pour créer des cartes en deux dimensions pour voir comment le gaz et les étoiles se déplacent dans sa région centrale, comment ils sont influencés par les jets de son noyau galactique actif, et finalement mieux caractériser la masse de son trou noir."

Un rapide retour en arrière

Frappons "rembobiner" pour revoir un peu ce que l'on sait déjà sur Centaurus A. Il est bien étudié car il est relativement proche - à environ 13 millions d'années-lumière - ce qui signifie que nous pouvons clairement résoudre toute la galaxie. Le premier enregistrement a été enregistré au milieu des années 1800, mais les astronomes ont perdu tout intérêt jusqu'aux années 1950 parce que la galaxie semblait être une si déformé, galaxie elliptique. Une fois que les chercheurs ont pu commencer à observer avec des radiotélescopes dans les années 40 et 50, Centaurus A est devenu radicalement plus intéressant et ses jets sont apparus. En 1954, les chercheurs ont découvert que Centaurus A est le résultat de deux galaxies qui ont fusionné, qui a été estimé plus tard s'être produit il y a 100 millions d'années.

Avec plus d'observations au début des années 2000, les chercheurs ont estimé qu'il y a environ 10 millions d'années, son noyau galactique actif a projeté des jets jumeaux dans des directions opposées. Lorsqu'il est examiné à travers le spectre électromagnétique, du rayon X à la lumière radio, il est clair qu'il y a beaucoup plus dans cette histoire que nous devons encore apprendre.

"Les études multi-longueurs d'onde de n'importe quelle galaxie sont comme les couches d'un oignon. Chaque longueur d'onde vous montre quelque chose de différent, " a déclaré Marín. "Avec les instruments infrarouge proche et moyen de Webb, nous verrons du gaz et de la poussière beaucoup plus froids que dans les observations précédentes, et en apprendre beaucoup plus sur l'environnement au centre de la galaxie."

Visualiser les données de Webb

L'équipe dirigée par Lützgendorf et Marín observera Centaurus A non seulement en prenant des images avec Webb, mais en recueillant des données appelées spectres, qui diffuse la lumière dans ses longueurs d'onde composantes comme un arc-en-ciel. Les spectres de Webb révéleront des informations haute résolution sur les températures, vitesses, et les compositions de la matière au centre de la galaxie.

En particulier, Le spectrographe proche infrarouge de Webb (NIRSpec et Mid-Infrared Instrument (MIRI) fournira à l'équipe de recherche une combinaison de données :une image plus un spectre à partir de chaque pixel de cette image. Cela permettra aux chercheurs de créer des cartes 2D complexes à partir du des spectres qui les aideront à identifier ce qui se passe derrière le voile de poussière au centre et à l'analyser sous plusieurs angles en profondeur.

Comparez ce style de modélisation à l'analyse d'un jardin. De la même manière que les botanistes classent les plantes en fonction d'ensembles spécifiques de caractéristiques, ces chercheurs classeront les spectres du MIRI de Webb pour construire des « jardins » ou des modèles. "Si vous prenez un instantané d'un jardin à une grande distance, " expliqua Marin, "Vous verrez quelque chose de vert, mais avec Webb, nous pourrons voir des feuilles et des fleurs individuelles, leurs tiges, et peut-être le sol en dessous."

Alors que l'équipe de recherche creuse dans les spectres, ils construiront des cartes à partir de différentes parties du jardin, comparer un spectre à un autre spectre voisin. Cela revient à déterminer quelles parties contiennent quelles espèces végétales sur la base de comparaisons de « tiges, " "feuilles, " et "fleurs" au fur et à mesure.

"En ce qui concerne l'analyse spectrale, nous effectuons de nombreuses comparaisons, " continua Marín. " Si je compare deux spectres dans cette région, peut-être que je trouverai que ce qui a été observé contient une importante population de jeunes étoiles. Ou vérifiez quelles zones sont à la fois poussiéreuses et chauffées. Ou peut-être identifierons-nous une émission provenant du noyau galactique actif."

En d'autres termes, l'« écosystème » des spectres a plusieurs niveaux, ce qui permettra à l'équipe de mieux définir précisément ce qui est présent et où il se trouve, ce qui est rendu possible par les instruments infrarouges spécialisés de Webb. Et, étant donné que ces études s'appuieront sur de nombreuses études antérieures, les chercheurs pourront confirmer, affiner, ou innover en identifiant de nouvelles fonctionnalités.

Pesée du trou noir dans Centaurus A

La combinaison d'images et de spectres fournis par NIRSpec et MIRI permettra à l'équipe de créer des cartes à très haute résolution des vitesses du gaz et des étoiles au centre de Centaurus A. "Nous prévoyons d'utiliser ces cartes pour modéliser comment l'ensemble du disque au centre de la galaxie se déplace pour déterminer plus précisément la masse du trou noir, " explique Lützgendorf.

Puisque les chercheurs comprennent comment la gravité d'un trou noir régit la rotation du gaz à proximité, ils peuvent utiliser les données Webb pour peser le trou noir dans Centaurus A. Avec un ensemble plus complet de données infrarouges, ils détermineront également si les différentes parties du gaz se comportent toutes comme prévu. "Je suis impatient de remplir entièrement nos données, " a déclaré Lützgendorf. " J'espère voir comment le gaz ionisé se comporte et tourbillonne, et où l'on voit les jets."

Les chercheurs espèrent également innover. "Il est possible que nous trouvions des choses que nous n'avons pas encore envisagées, " explique Lützgendorf. " Dans certains aspects, nous couvrirons un tout nouveau territoire avec Webb. » Marín est entièrement d'accord, et ajoute qu'il est inestimable de s'appuyer sur une multitude de données existantes. "L'aspect le plus excitant de ces observations est le potentiel de nouvelles découvertes, " a-t-elle dit. "Je pense que nous pourrions trouver quelque chose qui nous fait regarder en arrière vers d'autres données et réinterpréter ce qui a été vu plus tôt."

Ces études de Centaurus A seront menées dans le cadre des programmes conjoints d'observations à temps garanti MIRI et NIRSpec de Gillian Wright et Pierre Ferruit. Toutes les données de Webb seront finalement stockées dans les archives Barbara A. Mikulski pour les télescopes spatiaux (MAST) accessibles au public au Space Telescope Science Institute de Baltimore.