Premières lignes d'émission à la périphérie du disque d'accrétion d'un trou noir supermassif

Pour la première fois, les doubles pics distinctifs des raies d'émission détectés au cœur d'une galaxie nous ont permis d'explorer les bords du disque brillant entourant le trou noir central. Cela a non seulement confirmé de nombreuses choses que nous soupçonnions sur la région autour des trous noirs supermassifs, mais a également permis de mesurer le disque et le trou lui-même.

Les trous noirs supermassifs et la matière qui y pénètre en spirale, connue sous le nom de disques d'accrétion, façonnent leurs galaxies – mais la plupart de ce que nous savons à leur sujet repose sur la modélisation plutôt que sur des observations directes. Il y a trop d'obstacles entre la Terre et le centre de notre galaxie pour y voir clairement le disque, malgré les progrès spectaculaires réalisés par le télescope Event Horizon. Pendant ce temps, d'autres galaxies sont si éloignées que nous ne pouvons pas déterminer suffisamment leurs disques pour déterminer leurs limites, sans parler de ce qui se passe aux bords extérieurs.

C'est du moins ce que pensaient les astronomes, jusqu'à ce que les observations de la galaxie III Zw 002 se révèlent bien plus importantes que prévu. Le spectre observé provenant de cette galaxie située à un milliard d'années-lumière de nous a permis pour la première fois aux astronomes brésiliens de mesurer la taille du disque d'accrétion autour d'un trou noir supermassif. Ils ont également réussi à déterminer son orientation par rapport à la Terre et un peu sur la façon dont les éléments sont distribués.

Comme pour les étoiles, les noyaux galactiques actifs (AGN), les régions brillantes autour des trous noirs, produisent de la lumière sur tout le spectre électromagnétique à partir de leur chaleur et ont une plus grande intensité à des longueurs d'onde spécifiques, appelées raies d'émission. Les raies d'émission sont le résultat d'électrons, préalablement excités dans un état excité, retombant à un niveau d'énergie inférieur.

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Lorsqu'elle est libérée, chaque raie d'émission est spécifique à une longueur d'onde particulière de la lumière, distinctive de l'intervalle d'énergie dans lequel l'électron est tombé, qui à son tour est unique à l'élément sur lequel l'électron orbite. Cependant, lorsque la source se rapproche ou s’éloigne rapidement de nous, la longueur d’onde se décale.

Les gaz se déplacent si rapidement autour d’un trou noir supermassif en rotation que les raies d’émission d’un côté sont visibles à des longueurs d’onde légèrement plus longues causées par le mouvement, tandis que celles de l’autre côté semblent être légèrement plus courtes que leur véritable longueur d’onde. Cela crée ce que l'on appelle un double pic de chaque côté de la valeur normale de la raie d'émission.

Jusqu’à présent, de tels doubles pics n’avaient été observés que pour les émissions d’hydrogène en lumière visible. Cependant, en étudiant la lumière de III Zw 002 à l'aide du spectrographe proche infrarouge Gemini, Denimara Dias dos Santos a été surprise d'en voir une provenant de l'oxygène, ainsi qu'un double pic infrarouge de la raie de l'hydrogène Paschen-alpha. Dias dos Santos, doctorant à l'Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, conclut que ces émissions proviennent d'une zone s'étendant sur 18,8 jours-lumière du centre du trou noir supermassif de la galaxie. La ligne Paschen-alpha prend son origine un peu plus loin, dans un rayon de 16,8 jours-lumière.

En comparaison, Voyager 1, l’objet fabriqué par l’homme le plus éloigné du Soleil, se trouve à moins d’un jour-lumière.

Cependant, le disque dans son ensemble s’étend probablement beaucoup plus loin. Dias dos Santos et ses collègues estiment que la région produisant des émissions s'étend à 52,4 jours-lumière. Il s’agit de la première estimation observationnelle raisonnablement précise de la taille d’un tel disque. Ce n’est pas une distance facile à comparer, étant plus de 30 fois supérieure aux orbites même des objets les plus extérieurs de la ceinture de Kuiper comme « FarFarOut », mais également inférieure à un trentième de la distance jusqu’à l’étoile voisine la plus proche du Soleil.

"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 le chef d'équipe, le Dr Alberto Rodriguez-Ardila, dans un communiqué. "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."

"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 ajouté Rodriguez-Ardila.