L’étude spatiale offre la compréhension la plus claire à ce jour du cycle de vie des trous noirs supermassifs

Selon une étude menée par des chercheurs de Dartmouth, les trous noirs avec des signatures lumineuses variables mais que l’on pensait être les mêmes objets vus sous différents angles se trouvent en fait à différentes étapes du cycle de vie.

La recherche sur les trous noirs connus sous le nom de « noyaux galactiques actifs » ou AGN indique qu’elle montre définitivement la nécessité de réviser le « modèle unifié d’AGN » largement utilisé qui caractérise les trous noirs supermassifs comme ayant tous les mêmes propriétés.

L’étude, publiée dans La série de suppléments du journal astrophysiquefournit des réponses à un mystère spatial lancinant et devrait permettre aux chercheurs de créer des modèles plus précis sur l’évolution de l’univers et la façon dont les trous noirs se développent.

« Ces objets ont mystifié les chercheurs pendant plus d’un demi-siècle », a déclaré Tonima Tasnim Ananna, associée de recherche 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 obscurcis sont très différentes des propriétés des AGN qui ne sont pas aussi fortement cachés. »

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

Depuis des décennies, les chercheurs s’intéressent aux signatures lumineuses des noyaux galactiques actifs, un type de trou noir supermassif qui « s’accréte » ou en phase de croissance rapide.

À partir de la fin des années 1980, les astronomes ont réalisé que les signatures lumineuses provenant de l’espace allant des longueurs d’onde radio aux rayons X pouvaient être attribuées aux AGN. On a supposé que les objets avaient généralement un anneau en forme de beignet – ou « tore » – de gaz et de poussière autour d’eux. On pensait que la luminosité et les couleurs différentes associées aux objets étaient le résultat de l’angle sous lequel ils étaient observés et de la quantité de tore qui obscurcissait la vue.

À partir de là, la théorie unifiée des AGN est devenue la compréhension dominante. La théorie indique que si un trou noir est vu à travers son tore, il devrait apparaître faible. S’il est vu du dessous ou du dessus de l’anneau, il doit apparaître brillant. Selon l’étude actuelle, cependant, les recherches antérieures s’appuyaient trop sur des données provenant d’objets moins obscurs et 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 d’un trou noir, il varie considérablement en fonction de son obscurcissement par l’anneau de gaz et de poussière.

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

Le résultat montre que la quantité de poussière et de gaz entourant un AGN est directement liée à sa quantité d’alimentation, confirmant qu’il existe des différences au-delà de l’orientation entre les différentes populations d’AGN. Lorsqu’un trou noir s’accumule à un rythme élevé, l’énergie évacue la poussière et le gaz. En conséquence, il est plus susceptible d’être dégagé et d’apparaître plus lumineux. A l’inverse, un AGN moins actif est entouré d’un tore plus dense et apparaît plus faible.

« Dans le passé, on ne savait pas exactement comment la population d’AGN obscurcie variait de ses homologues plus facilement observables et non obscurcis », a déclaré Ananna. « Cette nouvelle recherche montre définitivement une différence fondamentale entre les deux populations 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, un télescope à rayons X à haute énergie de la NASA. Le télescope permet aux chercheurs de balayer l’univers local pour détecter les AGN obscurcis et non obscurcis.

La recherche est le résultat d’une collaboration scientifique internationale – le BAT AGN Spectroscopic Survey (BASS) – qui travaille depuis plus d’une décennie pour collecter et analyser la spectroscopie optique/infrarouge pour l’AGN observé par Swift BAT.

« Nous n’avons jamais eu un si grand échantillon d’AGN local obscurci par rayons X détecté auparavant », a déclaré Ananna. « C’est une grande victoire pour les télescopes à rayons X à haute énergie. »

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

Selon l’article, 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 essentiel 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 inclure une concentration sur les longueurs d’onde qui permettent à l’équipe de chercher au-delà de l’univers local. À plus court terme, l’équipe aimerait comprendre ce qui déclenche le passage des AGN en mode d’accrétion élevée et combien de temps il faut aux AGN à accrétion rapide pour passer de fortement obscurci à non obscurci.