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L’étude de l’espace fournit la compréhension la plus claire à ce jour du cycle de vie des trous noirs supermassifs

26 juillet 2022

(Nouvelles de NanwerkSelon une étude menée par des chercheurs de Dartmouth, les trous noirs avec des signatures lumineuses variables, mais que l’on pense être les mêmes choses vues sous différents angles, se trouvent en fait à différentes étapes du cycle de vie.

Connus sous le nom de noyaux galactiques actifs, la recherche sur les trous noirs montre de manière concluante la nécessité de revoir le « modèle AGN unifié » largement utilisé qui caractérise les trous noirs supermassifs comme ayant tous les mêmes propriétés.

L’étude publiée dans Journal astrophysique (« Fonctions de distribution de rapport de DR2 Eddington, masse du trou noir et éclairage par rayons X »), fournit des réponses à une énigme spatiale inquiétante et devrait permettre aux chercheurs de créer des modèles plus précis sur l’évolution de l’univers et sur l’évolution des trous noirs. Un anneau en forme de beignet entoure un trou noir supermassif L’anneau circulaire en forme de gâteau qui entoure plusieurs trous noirs supermassifs indique aux chercheurs à quelle vitesse un objet spatial est alimenté et pourrait changer la façon dont le trou noir est vu depuis la Terre. (Image : ESA/NASA, Projet AVO et Paolo Padovani)

« Ces choses ont intrigué les chercheurs pendant plus d’un demi-siècle », a déclaré Tonima Tasnim Inanna, chercheuse postdoctorale à Dartmouth et auteur principal de l’article. « Au fil du temps, nous avons fait de nombreuses hypothèses sur la physique de ces objets. Nous savons maintenant que les propriétés des trous noirs occultes sont très différentes de celles des AGN non cachés. »

On pense que les trous noirs supermassifs sont au centre de presque toutes les grandes galaxies, y compris la Voie lactée. Les objets dévorent les gaz galactiques, la poussière et les étoiles et peuvent devenir plus lourds que les petites galaxies.

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Depuis des décennies, les chercheurs s’intéressent aux signatures optiques des noyaux galactiques actifs, un type de trou noir supermassif qui « s’accumule » ou est dans une phase de croissance rapide.

À partir de la fin des années 1980, les astronomes ont réalisé que les signaux lumineux de l’espace allant des longueurs d’onde radio aux rayons X pouvaient être attribués aux AGN. On a supposé que les objets avaient généralement un anneau de forme circulaire – ou « cerceau » – de gaz et de poussière autour d’eux. On pensait que la luminosité et les couleurs différentes associées aux objets résultaient de l’angle sous lequel ils sont observés et de la quantité de tore bloquant la vue.

À partir de là, la théorie unifiée du noyau galactique actif est devenue le concept dominant. La théorie indique que si un trou noir est vu à travers sa gorge, il devrait apparaître faible. Si on le regarde du bas ou du haut de l’anneau, il devrait apparaître brillant. Selon l’étude actuelle, les recherches précédentes s’appuyaient fortement sur des données provenant d’objets moins obscurs et sur des résultats de recherche biaisés.

La nouvelle étude se concentre sur la rapidité avec laquelle les trous noirs se nourrissent de matière spatiale, ou leurs taux d’accrétion. La recherche a révélé que le taux d’accrétion ne dépend pas de la masse du trou noir, il varie considérablement en fonction de son obscurcissement par l’anneau de gaz et de poussière.

« Cela confirme l’idée que toutes les structures toroïdales autour des trous noirs ne sont pas identiques », a déclaré Ryan Hickox, professeur de physique et d’astronomie et l’un des auteurs de l’étude. « Il y a un lien entre la structure et la façon dont elle se développe. »

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Le résultat montre que la quantité de poussière et de gaz entourant l’AGN est directement liée à la quantité de nutrition, confirmant qu’il existe des différences au-delà de la tendance entre les différents groupes d’AGN. Lorsqu’un trou noir s’accumule à un rythme élevé, l’énergie expulse de la poussière et du gaz. En conséquence, ils sont plus susceptibles d’être dégagés et d’apparaître plus brillants. A l’inverse, les AGN les moins actifs sont entourés d’un anneau plus dense et apparaissent plus pâles.

« Dans le passé, il était incertain de savoir comment un groupe d’AGN obscurcis différait de leurs homologues plus facilement observables et dégagés », a déclaré Anana. « Cette nouvelle recherche montre de manière concluante une différence fondamentale entre les deux groupes qui va au-delà de l’angle de vision. »

L’étude découle d’une analyse d’une décennie d’AGN à proximité détectés par Swift-BAT, le télescope à rayons X à haute énergie de la NASA. Le télescope permet aux chercheurs d’examiner l’univers local pour découvrir des AGN non obscurcis et non obscurcis.

La recherche est le résultat d’une collaboration scientifique internationale – le BAT AGN Spectroscopy Survey (BASS) – qui a travaillé pendant plus d’une décennie pour collecter et analyser la spectroscopie optique/infrarouge de l’AGN surveillé par Swift BAT.

« Nous n’avons jamais eu un échantillon aussi important de rayons X détecté auparavant qui ait obscurci un noyau galactique actif localement auparavant », a déclaré Ananna. « C’est un énorme avantage pour les télescopes à rayons X à haute énergie. »

Le document s’appuie sur des recherches antérieures de l’équipe de recherche qui a analysé les AGN. Pour l’étude, Ananna a développé une technique de calcul pour évaluer l’effet de la gradation sur les propriétés observées des trous noirs et a analysé les données collectées par l’équipe de recherche plus large utilisant cette technique.

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Selon le document de recherche, en connaissant la masse d’un trou noir et à quelle vitesse il se nourrit, les chercheurs peuvent déterminer quand la plupart des trous noirs supermassifs ont subi la majeure partie de leur croissance, fournissant ainsi des informations précieuses sur l’évolution des trous noirs et de l’univers.

« L’une des plus grandes questions dans notre domaine est de savoir d’où viennent les trous noirs supermassifs », a déclaré Hickox. « Cette recherche fournit un élément important qui peut nous aider à répondre à cette question et je m’attends à ce qu’elle devienne une référence de pierre de touche pour cette discipline de recherche. »

Les recherches futures pourraient notamment se concentrer sur les longueurs d’onde qui permettent à l’équipe de rechercher en dehors de l’univers local. À court terme, l’équipe aimerait comprendre ce qui motive les AGN à entrer en mode d’accumulation élevée et combien de temps il faut aux AGN pour passer rapidement de très obscurci à non obscurci.