Une nouvelle étude publiée dans Nature Astronomy décrit l'objet le plus lumineux jamais observé par les astronomes. Il s'agit d'un trou noir d'une masse de 17 milliards de soleils, engloutissant chaque jour une plus grande quantité de masse que le soleil.
On le connaît depuis plusieurs décennies, mais comme elle est si brillante, les astronomes ont supposé qu'il devait s'agir d'une étoile proche. Seules des observations récentes ont révélé son extrême distance et sa luminosité.
L'objet a été baptisé J0529-4351. Ce nom fait simplement référence à ses coordonnées sur la sphère céleste, une manière de projeter les objets dans le ciel à l'intérieur d'une sphère. C'est un type d'objet appelé quasar.
La nature physique des quasars était initialement inconnue. Mais en 1963, la lumière visible d’un quasar appelé 3C 273 a été divisée en toutes ses longueurs d’onde (appelées spectre). Cela montrait qu'il était situé à près de 2 milliards d'années-lumière.
Compte tenu de la luminosité de 3C 273 et de sa distance, il doit être extrêmement lumineux, un terme en astronomie qui fait référence à la quantité de lumière émise par un objet dans une unité de temps. La seule source d’énergie connue pour une luminosité aussi extrême était la chute de matière dans un trou noir supermassif. Les quasars sont donc les trous noirs dont la croissance est la plus active dans l'univers.
Les trous noirs supermassifs se trouvent souvent au centre des galaxies. Comme tous les quasars, J0529-4351 est alimenté par des matériaux, principalement de l'hydrogène et de l'hélium surchauffés, tombant dans son trou noir depuis la galaxie environnante.
Environ une fois la masse du soleil tombe chaque jour dans ce trou noir. La question exacte de savoir comment autant de gaz peut être canalisée vers le centre des galaxies pour augmenter la masse des trous noirs est une question sans réponse en astrophysique.
Au centre de la galaxie, le gaz forme un mince disque. Les propriétés de viscosité (résistance à l’écoulement de la matière dans l’espace) et de friction dans le disque mince contribuent à chauffer le gaz jusqu’à des dizaines de milliers de degrés Celsius. Celui-ci est suffisamment chaud pour briller lorsqu'il est observé dans les longueurs d'onde de la lumière ultraviolette et visible. C'est cette lueur que nous pouvons observer depuis la Terre.
Avec une masse d’environ 17 milliards de Soleils, J0529-4351 n’est pas le trou noir le plus massif connu. Un objet, au centre de l'amas de galaxies Abell 1201, équivaut à 30 milliards de Soleils. Cependant, nous devons garder à l’esprit qu’en raison du temps nécessaire à la lumière pour parcourir la vaste distance entre cet objet et la Terre, nous en sommes témoins alors que l’univers n’avait que 1,5 milliard d’années. Il a maintenant environ 13,7 milliards d'années.
Ce trou noir a donc dû croître, ou s'accumuler, à ce rythme pendant une fraction significative de l'âge de l'univers au moment où il a été observé. Les auteurs pensent que l’accumulation de gaz par le trou noir se situe à proximité de la limite imposée par les lois de la physique. Une accrétion plus rapide provoque un disque de gaz plus lumineux autour du trou noir, ce qui peut à son tour empêcher toute chute de matière supplémentaire.
J0529-4351 est connu depuis des décennies, mais bien qu'il possède un disque d'accrétion de gaz 15 000 fois plus grand que notre système solaire et qu'il occupe sa propre galaxie, probablement proche de la taille de la Voie lactée, il est si loin qu'il apparaît comme un point lumineux unique dans nos télescopes.
Cela signifie qu’il est difficile de la distinguer des milliards d’étoiles de notre propre galaxie. Pour découvrir qu’il s’agit en fait d’un trou noir lointain, puissant et supermassif, il a fallu des techniques plus complexes. Premièrement, les astronomes ont collecté la lumière du milieu de la bande d'ondes infrarouge (lumière avec des longueurs d'onde beaucoup plus longues que celles que nous pouvons voir).
Les étoiles et les quasars sont très différents les uns des autres à ces longueurs d’onde. Pour confirmer l'observation, un spectre a été pris (un peu comme c'était le cas avec le quasar 3C 273), en utilisant le télescope de 2,3 mètres de l'Université nationale australienne à l'observatoire de Siding Spring, en Nouvelle-Galles du Sud.
Et, comme pour 3C 273, le spectre a révélé à la fois la nature de l'objet et sa distance :12 milliards d'années-lumière. Cela a mis en évidence à quel point sa luminosité doit être extrême.
Malgré ces mesures, un certain nombre de vérifications ont dû être effectuées pour confirmer la véritable luminosité du quasar. Premièrement, les astronomes devaient s’assurer que la lumière n’avait pas été amplifiée par une source située dans le ciel plus proche de la Terre. Tout comme les lentilles utilisées dans les lunettes ou les jumelles, les galaxies peuvent agir comme des lentilles. Ils sont si denses qu'ils peuvent courber et amplifier la lumière de sources plus éloignées parfaitement alignées derrière eux.
Les données du satellite Gaia de l'Agence spatiale européenne, qui possède des mesures extrêmement précises de la position de J0529-4351, ont été utilisées pour déterminer que J0529-4351 est véritablement une source de lumière unique et sans lentille dans le ciel. Ceci est étayé par des spectres plus détaillés pris avec l'installation du Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral au Chili.
J0529-4351 est susceptible de devenir un outil très important pour l’étude future des quasars et de la croissance des trous noirs. La masse des trous noirs est une propriété fondamentale mais elle est très difficile à mesurer directement, car il n'existe pas de balance standard pour des objets aussi absurdement grands et mystérieux.
Une technique consiste à mesurer l'effet du trou noir sur les gaz plus diffus en orbite autour de lui dans de grands nuages, appelés « région large ». Ce gaz est révélé dans le spectre à travers de larges « raies d'émission », provoquées par des électrons sautant entre des niveaux d'énergie spécifiques dans le gaz ionisé.
La largeur de ces raies est directement liée à la masse du trou noir, mais la calibration de cette relation est très mal testée pour les objets les plus lumineux comme J0529-4351. Cependant, parce qu'il est physiquement grand et si lumineux, J0529-4351 sera observable par un nouvel instrument en cours d'installation sur le VLT, appelé Gravity+.
Cet instrument donnera une mesure directe de la masse du trou noir et calibrera les relations utilisées pour estimer les masses d'autres objets à haute luminosité.
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Fourni par The Conversation
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