Décodage du scintillement mystérieux : la taille du trou noir supermassif révélée par son mode d’alimentation

Accretion Disk Rotating Around Supermassive Black Hole
Disque d'accrétion tournant autour d'un trou noir supermassif

Vue d’artiste d’un disque d’accrétion tournant autour d’un trou noir supermassif invisible. Le processus d’accrétion produit des fluctuations aléatoires de la luminosité du disque au fil du temps, un modèle qui s’est avéré être lié à la masse du trou noir dans une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign. Crédit : Graphique avec l’aimable autorisation de Mark A. Garlick/Fondation Simons

Les modèles d’alimentation des trous noirs donnent un aperçu de leur taille, rapportent les chercheurs. Une nouvelle étude a révélé que le scintillement de la luminosité observé dans l’alimentation active des trous noirs supermassifs est lié à leur masse.

Les trous noirs supermassifs sont des millions à des milliards de fois plus massifs que le soleil et résident généralement au centre des galaxies massives. Lorsqu’ils sont en sommeil et ne se nourrissent pas du gaz et des étoiles qui les entourent, les SMBH émettent très peu de lumière ; les astronomes ne peuvent les détecter qu’à travers leurs influences gravitationnelles sur les étoiles et le gaz à proximité. Cependant, dans l’univers primitif, lorsque les SMBH se développaient rapidement, ils alimentaient activement – ​​ou accrétaient – ​​des matériaux à des taux intensifs et émettaient une énorme quantité de rayonnement – ​​dépassant parfois toute la galaxie dans laquelle ils résident, ont déclaré les chercheurs.

La nouvelle étude, dirigée par l’étudiant diplômé en astronomie Urbana-Champaign de l’Université de l’Illinois Colin Burke et le professeur Yue Shen, a découvert une relation définitive entre la masse des SMBH qui se nourrissent activement et l’échelle de temps caractéristique du motif de scintillement de la lumière. Les résultats sont publiés dans la revue Science.

La lumière observée d’un SMBH accréteur n’est pas constante. En raison de processus physiques qui ne sont pas encore compris, il affiche un scintillement omniprésent sur des échelles de temps allant de quelques heures à des décennies. “De nombreuses études ont exploré les relations possibles entre le scintillement observé et la masse du SMBH, mais les résultats n’ont pas été concluants et parfois controversés”, a déclaré Burke.

L’équipe a compilé un grand ensemble de données de SMBHs en alimentation active pour étudier le modèle de variabilité du scintillement. Ils ont identifié une échelle de temps caractéristique, sur laquelle le modèle change, qui est étroitement corrélée à la masse du SMBH. Les chercheurs ont ensuite comparé les résultats avec des naines blanches en accumulation, les restes d’étoiles comme notre soleil, et ont constaté que la même relation échelle de temps-masse est valable, même si les naines blanches sont des millions à des milliards de fois moins massives que les SMBH.

Les scintillements lumineux sont des fluctuations aléatoires dans un trou noirprocessus d’alimentation, les chercheurs ont dit. Les astronomes peuvent quantifier ce modèle de scintillement en mesurant la puissance de la variabilité en fonction des échelles de temps. Pour accréter les SMBH, le modèle de variabilité passe de courtes échelles de temps à de longues échelles de temps. Cette transition de modèle de variabilité se produit à une échelle de temps caractéristique qui est plus longue pour les trous noirs plus massifs.

L’équipe a comparé l’alimentation du trou noir à notre activité de manger ou de boire en assimilant cette transition à un rot humain. Les bébés rotent fréquemment en buvant du lait, tandis que les adultes peuvent maintenir leur rot plus longtemps. Les trous noirs font un peu la même chose en se nourrissant, ont-ils dit.

« Ces résultats suggèrent que les processus entraînant le scintillement pendant l’accrétion sont universels, que l’objet central soit un trou noir supermassif ou un objet beaucoup plus léger. nain blanc“, a déclaré Shen.

“L’établissement ferme d’un lien entre le scintillement lumineux observé et les propriétés fondamentales de l’accréteur nous aidera certainement à mieux comprendre les processus d’accrétion”, a déclaré Yan-Fei Jiang, chercheur au Flatiron Institute et co-auteur de l’étude.

Les trous noirs astrophysiques se présentent dans un large spectre de masse et de taille. Entre la population de trous noirs de masse stellaire, qui pèsent moins de plusieurs dizaines de fois la masse du soleil, et les SMBH, il existe une population de trous noirs appelés trous noirs de masse intermédiaire qui pèsent entre 100 et 100 000 fois la masse du soleil. masse du soleil.

On s’attend à ce que les IMBH se forment en grand nombre au cours de l’histoire de l’univers, et ils peuvent fournir les graines nécessaires pour devenir des SMBH plus tard. Cependant, d’un point de vue observationnel, cette population d’IMBH est étonnamment insaisissable. Il n’y a qu’un seul IMBH incontestablement confirmé qui pèse environ 150 fois la masse du soleil. Mais cet IMBH a été découvert par hasard par le rayonnement des ondes gravitationnelles de la coalescence de deux trous noirs moins massifs.

“Maintenant qu’il existe une corrélation entre le modèle de scintillement et la masse de l’objet d’accrétion central, nous pouvons l’utiliser pour prédire à quoi pourrait ressembler le signal de scintillement d’un IMBH”, a déclaré Burke.

Les astronomes du monde entier attendent le coup d’envoi officiel d’une ère de relevés massifs qui surveillent le ciel dynamique et variable. L’observatoire Vera C. Rubin du Legacy Survey of Space and Time du Chili étudiera le ciel pendant une décennie et collectera des données de scintillement de la lumière pour des milliards d’objets, à partir de la fin de 2023.

“L’exploitation de l’ensemble de données LSST pour rechercher des modèles de scintillement compatibles avec l’accumulation d’IMBH a le potentiel de découvrir et de comprendre pleinement cette mystérieuse population de trous noirs tant recherchée”, a déclaré le co-auteur Xin Liu, professeur d’astronomie à l’U. de I.

Référence : « Une échelle de temps de variabilité optique caractéristique dans les disques d’accrétion astrophysique » par Colin J. Burke, Yue Shen, Omer Blaes, Charles F. Gammie, Keith Horne, Yan-Fei Jiang, Xin Liu, Ian M. McHardy, Christopher W. Morgan , Simone Scaringi et Qian Yang, 12 août 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abg9933

Cette étude est une collaboration avec le professeur d’astronomie et de physique Charles Gammie et le chercheur postdoctoral en astronomie Qian Yang, le Centre d’étude avancée de l’Univers de l’Illinois et des chercheurs de l’Université de Californie à Santa Barbara ; l’Université de St. Andrews, Royaume-Uni ; l’Institut Flatiron ; l’Université de Southampton, Royaume-Uni ; l’Académie navale des États-Unis; et l’Université de Durham, Royaume-Uni

Burke, Shen et Liu sont également affiliés au Center for Astrophysical Surveys du National Center for Supercomputing Applications de l’Illinois.

La National Science Foundation, le Science and Technology Facilities Council et la Illinois Graduate Survey Science Fellowship ont soutenu cette recherche.

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