Premières observations de la périphérie du disque d’accrétion d’un trou noir supermassif

Rien ne peut évoquer une spirale de perspective existentielle comme regarder l’image d’une galaxie. À première vue, ces structures sublimes peuvent paraître plutôt sereines. Mais en réalité, le centre de nombreuses galaxies est un environnement turbulent contenant un trou noir supermassif qui s’alimente activement.

En orbite autour de ces objets d’une densité incompréhensible se trouvent des disques d’accrétion tourbillonnants de gaz et de poussière, qui alimentent le trou noir et émettent de grandes quantités d’énergie tout au long du spectre électromagnétique, depuis les rayons gamma et X de haute énergie, en passant par la lumière visible, jusqu’à l’infrarouge et la radio. vagues.

L’étude des disques d’accrétion peut améliorer la compréhension des astronomes sur les trous noirs et l’évolution de leurs galaxies hôtes. Cependant, la plupart des disques d’accrétion sont impossibles à imager directement en raison de leurs distances extrêmes et de leurs tailles relativement petites. Au lieu de cela, les astronomes utilisent les spectres de lumière émise depuis l’intérieur du disque pour caractériser sa taille et son comportement.

Grâce à cette approche, les astronomes utilisant le télescope Gemini North, la moitié de l’Observatoire international Gemini, exploité par le NOIRLab de la NSF, ont détecté pour la première fois deux raies d’émission proche infrarouge dans le disque d’accrétion de la galaxie III Zw 002, plaçant ainsi un nouvelle limite sur la taille de ces magnifiques structures.

Pour comprendre ces observations, commençons par jeter les bases en discutant de ce que sont les raies d’émission et de ce qu’elles nous apprennent sur les régions autour des trous noirs supermassifs.

Les raies d’émission se forment lorsqu’un atome dans un état excité chute à un niveau d’énergie inférieur, libérant ainsi de la lumière. Puisque chaque atome possède un ensemble unique de niveaux d’énergie, la lumière émise a une longueur d’onde discrète qui agit comme une empreinte digitale identifiant son origine. Les raies d’émission apparaissent généralement dans les spectres sous la forme de pointes fines et pointues.

Mais dans le vortex tourbillonnant d’un disque d’accrétion, où le gaz excité est sous l’influence gravitationnelle du trou noir supermassif et se déplace à des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres par seconde, les raies d’émission s’élargissent en pics moins profonds. La région du disque d’accrétion d’où proviennent ces lignes est appelée région des lignes larges.

Comme indiqué précédemment, les disques d’accrétion sont extrêmement difficiles à imager directement, seules deux sources ayant été photographiées grâce à la capacité de résolution angulaire élevée du télescope Event Horizon. Alors, sans accès à un réseau mondial de radiotélescopes, comment les astronomes peuvent-ils savoir quand un trou noir supermassif est entouré d’un disque ? Il s’avère que la preuve d’un disque d’accrétion peut être trouvée dans un modèle spécifique de larges raies d’émission appelé profil à double pointe.

Parce que le disque tourne, le gaz d’un côté s’éloigne de l’observateur, tandis que le gaz de l’autre côté se dirige vers l’observateur. Ces mouvements relatifs étirent et compriment les raies d’émission vers des longueurs d’onde respectivement plus longues et plus courtes. Il en résulte une ligne élargie avec deux pics distincts, un provenant de chaque côté du disque en rotation rapide.

Ces profils à double sommet sont un phénomène rare car leur apparition est limitée aux sources observables presque de face. Dans les quelques sources dans lesquelles il a été observé, le double pic a été trouvé dans les raies H-alpha et H-bêta, deux raies d’émission d’atomes d’hydrogène qui apparaissent dans la gamme de longueurs d’onde visibles.

Originaires de la région interne de la région des lignes larges près du trou noir supermassif, ces lignes ne fournissent aucune preuve de la taille du disque d’accrétion dans son intégralité. Mais des observations récentes dans le proche infrarouge ont révélé une région de la grande ligne externe qui n’a jamais été vue auparavant.

Denimara Dias dos Santos, titulaire d’un doctorat. étudiant à l’Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais au Brésil et auteur principal de l’article, en collaboration avec Alberto Rodriguez-Ardila, Swayamtrupta Panda et Murilo Marinello, chercheurs au Laboratório Nacional de Astrofísica au Brésil, a effectué la première détection sans ambiguïté de deux proches -profils infrarouges à double pointe dans la région large de III Zw 002.

La raie Paschen-alpha (hydrogène) prend son origine dans la région interne de la région de la ligne large, et la raie OI (oxygène neutre) provient de la périphérie de la région de la ligne large, une région qui n’a jamais été observée auparavant. Ce sont les premiers profils à double pic découverts dans le proche infrarouge, et ils sont apparus de manière inattendue lors d’observations avec le spectrographe Gemini dans le proche infrarouge (GNIRS).

Les observations de 2003 de III Zw 002 dans le visible ont révélé la présence d’un disque d’accrétion, et une étude de 2012 a trouvé des résultats similaires. En 2021, Rodriguez-Ardila et son équipe ont entrepris de compléter ces résultats par des observations dans le proche infrarouge à l’aide du GNIRS, capable d’observer l’ensemble du spectre proche infrarouge (800 à 2 500 nanomètres) en une seule fois.

D’autres instruments obligent l’utilisateur à basculer entre plusieurs filtres pour couvrir la même plage, ce qui peut prendre du temps et potentiellement introduire une incertitude lorsque les conditions atmosphériques et les étalonnages changent entre les observations.

Étant donné que GNIRS est capable d’effectuer des observations simultanées sur plusieurs bandes de lumière, l’équipe a pu capturer un spectre unique, propre et systématiquement calibré, dans lequel plusieurs profils à double pic ont été révélés. « Nous ne savions pas auparavant que III Zw 002 avait ce profil à double pic, mais lorsque nous avons réduit les données, nous avons vu très clairement le double pic », a déclaré Rodriguez-Ardila. « En fait, nous avons réduit les données à plusieurs reprises en pensant que cela pourrait être une erreur, mais à chaque fois nous avons vu le même résultat passionnant. »

Ces observations confirment non seulement la présence théorique d’un disque d’accrétion, mais font également progresser la compréhension des astronomes sur la région des grandes lignes.

« Pour la première fois, la détection de tels profils à double pointe impose des contraintes fermes sur la géométrie d’une région qu’il serait autrement impossible de résoudre », a déclaré Rodriguez-Ardila. « Et nous avons maintenant des preuves claires du processus d’alimentation et de la structure interne d’une galaxie active. »

En comparant ces observations avec les modèles de disque existants, l’équipe a pu extraire des paramètres qui fournissent une image plus claire du trou noir supermassif et de la région des larges lignes de III Zw 002.

Le modèle indique que la ligne Paschen-alpha prend son origine dans un rayon de 16,77 jours-lumière (la distance parcourue par la lumière en un jour terrestre telle que mesurée à partir du trou noir supermassif) et que la ligne OI prend son origine dans un rayon de 18,86 jours-lumière. Il prédit également que le rayon extérieur de la région de la grande ligne est de 52,43 jours-lumière. Le modèle indique également que la région large de III Zw 002 a un angle d’inclinaison de 18 degrés par rapport aux observateurs sur Terre, et que le trou noir supermassif en son centre a une masse de 400 à 900 millions de fois celle de notre soleil.

« Cette découverte nous donne des informations précieuses sur la structure et le comportement de la région large dans cette galaxie particulière, mettant en lumière les phénomènes fascinants qui se produisent autour des trous noirs supermassifs dans les galaxies actives », a déclaré Rodriguez-Ardila.

Suite à cette découverte, Dias dos Santos, Rodriguez-Ardila, Panda et Marinello surveillent désormais III Zw 002, car son disque d’accrétion devrait suivre un schéma de précession autour du trou noir supermassif. Ils veulent voir comment les profils de lignes changent avec le temps, car la précession provoque des intensités différentes dans les pics bleus et rouges. Jusqu’à présent, le modèle reste cohérent avec leurs observations. Ces résultats ouvrent également la possibilité d’utiliser la détection proche infrarouge pour étudier d’autres AGN.

L’ouvrage est publié dans Les lettres du journal astrophysique.