En astronomie, nous parlons avec désinvolture de nombres extrêmement grands et de distances extrêmement vastes comme s’ils étaient insignifiants. Un trou noir supermassif peut avoir plusieurs milliards de masses solaires, un quasar distant est à 500 millions d’années-lumière, etc. Des objets comme des galaxies qui ne sont qu’à des dizaines de millions d’années-lumière commencent à nous sembler familiers.
Mais même si nos pages Wikipédia regorgent de données sur des objets distants, il y a un manque trompeur de compréhension de certaines de leurs propriétés de base. Prenez Messier 87, par exemple, une galaxie dont on parle souvent et que l’on voit en images. Il est remarquable d’abriter le premier trou noir jamais photographié.
C’est tellement loin que les astronomes n’ont aucune idée réelle de sa forme tridimensionnelle.
Jusqu’ici.
Messier 87 est à 54 millions d’années-lumière dans l’amas de la Vierge. Elle est également connue sous le nom de NGC 4486. L’astronome français Charles Messier l’a découverte il y a plus de 200 ans, et avec les télescopes disponibles à l’époque, elle ressemblait à une nébuleuse. Au début du XXe siècle, les choses se précisent un peu. Cela ne s’appelait toujours pas une galaxie parce que le terme galaxie était réservé à la Voie lactée. Finalement, dans les années 1950, le terme galaxie est resté et s’est appliqué à plus que notre propre galaxie.
M 87 est important en astronomie pour un certain nombre de raisons. Il a servi de banc d’essai pour les méthodes qui mesurent la masse des trous noirs supermassifs aux centres galactiques. Les astronomes ont également étudié ses amas globulaires abondants (~15 000 d’entre eux) pour comprendre les relations de métallicité entre les amas et le reste de la galaxie. Et, bien sûr, son SMBH a été le premier trou noir jamais photographié, grâce au télescope Event Horizon.
Mais ce n’est que maintenant, grâce à un trio d’astronomes travaillant avec le télescope spatial Hubble et l’observatoire Keck sur Maunakea à Hawaï, que nous avons une idée de la forme de M 87 en trois dimensions, et coïncidant avec cela, une meilleure idée de la masse de son trou noir.
Les astronomes ont publié leurs résultats dans un article intitulé “Keck Integral-field Spectroscopy of M87 Reveals an Intrinsically Triaxial Galaxy and a Revised Black Hole Mass” dans Astrophysical Journal Letters. L’auteur principal est Emily R. Liepold du Département de physique de l’UC Berkeley.
L’un des problèmes liés à l’étude d’un objet distant comme M 87 est que les astronomes doivent faire des hypothèses sur sa forme. Ils le décrivent simplement comme sphérique ou axisymétrique (symétrique autour d’un axe). Mais ces hypothèses posent des problèmes lorsqu’il s’agit de déterminer la masse du trou noir central. La masse du trou noir est déduite des mouvements des étoiles, et notre compréhension des mouvements des étoiles est affectée par notre hypothèse simpliste sur la forme de la galaxie.
M 87 est si loin qu’il semble plat. Mais les astronomes ne peuvent pas utiliser la vision stéréoscopique pour déterminer sa profondeur et sa forme en raison de la grande distance qui nous sépare. Dans cette étude, ils se sont appuyés sur la puissance du télescope Hubble et des télescopes Keck pour mesurer sa forme en discernant le mouvement de ses étoiles.
La galaxie est bien trop éloignée pour suivre des étoiles individuelles. C’est là qu’un des instruments de Keck II est entré en jeu. Le Keck Cosmic Web Imager (KCWI) a permis aux chercheurs d’examiner la région centrale de la galaxie. Ils ont utilisé le KCWI pour capturer le spectre des étoiles dans une région d’environ 70 000 années-lumière de diamètre. Cette région comprend une zone de 3 000 années-lumière de diamètre contenant le trou noir de M 87.
Près du trou noir central de M 87, la forte attraction gravitationnelle fait grouiller les étoiles autour du trou. Le KCWI ne peut pas résoudre les étoiles individuelles, mais leurs spectres montrent leur gamme de vitesses. “C’est un peu comme regarder un essaim de 100 milliards d’abeilles”, a déclaré le co-auteur et chercheur principal Chung-Pei Ma. “Bien que nous les regardions de loin et que nous ne puissions pas discerner les abeilles individuellement, nous obtenons des informations très détaillées sur leurs vitesses collectives.”
En suivant les vitesses et les positions des étoiles, l’équipe d’astronomes a identifié des schémas de rotation proéminents des étoiles qui sont assez chaotiques. L’axe cinématique de rotation est désaligné de 40 degrés avec l’axe photométrique. Qu’est-ce que cela signifie?
“De tels champs de vitesse désalignés et tordus sont une caractéristique de la triaxialité, indiquant que M87 n’est pas une galaxie de forme axisymétrique”, écrivent les auteurs.
Les résultats montrent que les hypothèses antérieures sur la forme de M 87 étant axisymétrique sont incorrectes. Au lieu de cela, la galaxie est triaxiale.
Les efforts de l’équipe ont révélé plus que la forme du M 87. Si les étoiles qui pullulent autour du trou noir sont des abeilles, alors le trou noir est leur reine. Et les données détaillées sur l’essaim d’étoiles éclairent la masse du trou noir. “Connaître la forme 3D des” abeilles en essaim “nous a permis d’obtenir une mesure dynamique plus robuste de la masse du trou noir central qui régit les vitesses orbitales des abeilles”, a déclaré Ma.
Ce n’est pas la seule étude récente à tenter d’établir des paramètres pour la forme intrinsèque des galaxies, mais c’est l’une des rares. Encore moins de galaxies ont été observées avec une résolution, un champ de vision, une couverture spectrale et un rapport signal/bruit suffisants pour déterminer leur forme intrinsèque ainsi que la masse du trou noir supermassif et la masse de la galaxie elle-même.
Ce n’est pas une mince affaire pour les astronomes qui tentent de mesurer avec précision les masses des trous noirs. Tout se résume aux données détaillées qu’ils ont recueillies et à la modélisation triaxiale qu’elles ont permise. La différence entre la modélisation triaxiale et la modélisation axisymétrique peut faire varier considérablement la masse du trou noir. “Lorsque des comparaisons directes entre la modélisation axisymétrique et triaxiale ont été effectuées sur la même galaxie, la masse du trou noir des modèles axisymétriques variait d’environ 50% à 170% de la masse lorsque la triaxialité était autorisée”, écrivent les auteurs dans leur conclusion.
En 1995, des chercheurs ont utilisé Hubble pour mesurer la masse du trou noir de M 87 à 2,4 milliards de masses solaires. Cette nouvelle recherche arrive à un chiffre très différent : 5,4 milliards de masses solaires.
Dans l’ensemble, les modèles triaxiaux de galaxies dans ce travail “… ont pu correspondre à la cinématique stellaire observée nettement mieux que les modèles axisymétriques”, concluent les auteurs.
Pourquoi des masses de trous noirs plus précises sont-elles souhaitables ? Ils sont au cœur de notre compréhension des galaxies elles-mêmes.
« Des masses de trous noirs plus sûres pourraient entraîner des changements significatifs dans le recensement local des trous noirs et les formes des relations d’échelle entre les trous noirs et les galaxies hôtes, impactant ainsi notre compréhension de l’alimentation et de la physique des rétroactions des trous noirs, ainsi que de la fusion binaire des trous noirs. physique », expliquent les auteurs.
Il y a encore beaucoup de choses que nous ignorons sur les trous noirs. Mais d’une manière que nous ne comprenons pas encore totalement, ils jouent un rôle central dans l’évolution des galaxies. Si nous espérons un jour avoir une compréhension plus complète de la façon dont les trous noirs ont façonné les galaxies, nous ferions mieux de corriger leurs masses.
