Les échos de la lumière des jets lancés depuis les trous noirs offrent une nouvelle façon de déterminer la distance à ces objets exotiques et d’étudier une population largement inobservée au centre de la Galaxie. Cela pourrait même aider à déterminer le taux d’expansion de l’univers. La technique, développée par une équipe de l’Université de Newcastle et testée sur l’archétype du trou noir Cygnus X-1, a été présentée par le chercheur postdoctoral et membre de l’équipe Patrick O’Neill au Réunion nationale d’astronomie à Cardiff.
La plupart des trous noirs sont les restes compacts d’étoiles qui ont fini leur vie dans des explosions de supernova. Ils ont un champ gravitationnel si fort que même la lumière ne peut échapper à leur emprise, d’où la description d’eux comme noirs. Malgré cela, l’influence sur leur environnement peut être très évidente, car la matière en orbite autour d’un trou noir est concentrée dans un disque et peut devenir très chaude. Cela signifie qu’ils sont de fortes sources de rayons X, et beaucoup ont également des jets associés crachant du gaz et de la poussière sur de grandes distances.
La distance calculée à la plupart des trous noirs est basée sur leur luminosité aux rayons X et les mesures associées de leur masse, qui peuvent être déduites de la vitesse à laquelle le matériau tourbillonne autour d’eux. O’Neill et les autres membres de l’équipe adoptent une approche différente.
La lumière du jet du trou noir est émise dans toutes les directions, elle atteint donc le disque. Tout comme un miroir, le disque réfléchit alors une partie de la lumière entrante. En partant de la partie la plus interne du disque, la lumière réfléchie ondulera vers l’extérieur car la lumière émise dans le jet met plus de temps à atteindre les parties extérieures du disque. Cette « réverbération » de la lumière s’apparente à un écho sonore.
Cela signifie en fait que nous voyons la lumière provenant du jet de deux manières : la lumière qui se dirige directement vers nous et la lumière qui est réfléchie par le disque. En surveillant simultanément la luminosité de la lumière qui se dirige directement vers nous et la lumière qui est réfléchie, il devient possible de déduire à quelle distance se trouve le jet au-dessus du disque. Il indique également aux astronomes à quel point la limite intérieure du disque est proche du trou noir lui-même. Plus près dans le champ gravitationnel du trou noir perturbe la forme du disque.
La surveillance de la lumière émise par le jet du trou noir et son disque environnant permet à l’équipe de calculer la taille du disque et la fraction de la lumière qu’il réfléchit. Cela donne une mesure absolue de la luminosité du disque, et donc de la distance au système trou noir-disque.
Les nuages denses de gaz et de poussière bloquent généralement la lumière infrarouge, visible et ultraviolette émise par les centres des galaxies (y compris la nôtre), limitant notre vue. En revanche, les rayons X peuvent traverser ces régions sans entrave, il devrait donc être possible de mesurer la distance aux trous noirs supermassifs. Si cela peut être fait, ce sera une nouvelle façon de déterminer à quelle vitesse l’univers s’étend, ce qui n’est toujours pas réglé 94 ans après la découverte de l’expansion elle-même.
C’est aussi un outil puissant pour sonder la population de trous noirs au centre de la galaxie. Jusqu’à présent, les astronomes avaient tendance à observer des trous noirs relativement légers et éloignés du plan de la galaxie où se trouvent la plupart des étoiles (notre galaxie a des bras spiraux dans un disque plat s’enroulant à partir d’une barre centrale).
Parfois, un trou noir et une étoile massive tournent l’un autour de l’autre dans un système binaire. Si l’étoile massive explose en supernova, le trou noir peut être projeté hors du plan de la galaxie. Plus le trou noir est lourd, plus l’accélération est faible, donc des trous noirs de masse plus lourde se trouveront plus près du plan galactique et au centre galactique.
O’Neill dit: « Nous sommes souvent limités aux observations de galaxies lointaines pour faire des inférences sur la Voie lactée. Cette technique de pointe offre une méthode pour sonder le centre galactique précédemment caché, offrant un nouvel aperçu de l’évolution de notre propre galaxie. et comment les trous noirs accumulent de la matière [MOU1] . C’est aussi excitant de penser que nous pourrions aider à établir la vitesse à laquelle l’univers s’étend et à mieux comprendre son avenir. »
L’équipe veut maintenant construire une image de la population de trous noirs au centre de la galaxie. Cela pourrait aider à trouver des objets comme des trous noirs de masse intermédiaire, des objets supposés résulter de la fusion de trous noirs d’étoiles uniques, et une étape sur la voie de la formation des trous noirs supermassifs de la taille d’un monstre trouvés au centre de la plupart des galaxies.