Cette illustration montre à quoi pourrait ressembler le noyau de Messier 77. Comme d’autres noyaux actifs de galaxie, la région centrale de Messier 77 est alimentée par un trou noir qui est entouré d’un mince disque d’accrétion, lui-même entouré d’un épais anneau ou tore de gaz et de poussière. Dans le cas de Messier 77, cet anneau épais masque complètement notre vue du trou noir supermassif.
On pense que ce noyau galactique actif possède également des jets, ainsi que des vents de poussière, qui sortent de la région autour du trou noir perpendiculairement au disque d’accrétion qui l’entoure. Crédit : ESO/M. Kornmesser et L. Calçada
Le Very Large Telescope Interferometer (ESO’s VLTI) has observed a cloud of cosmic dust at the center of the galaxy Messier 77 that is hiding a supermassive black hole. The findings have confirmed predictions made around 30 years ago and are giving astronomers new insight into “active galactic nuclei,” some of the brightest and most enigmatic objects in the universe.
The left panel of this image shows a dazzling view of the active galaxy Messier 77 captured with the FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2 (FORS2) instrument on ESO’s Very Large Telescope. The right panel shows a blow-up view of the very inner region of this galaxy, its active galactic nucleus, as seen with the MATISSE instrument on ESO’s Very Large Telescope Interferometer. Credit: ESO/Jaffe, Gámez-Rosas et al.
Active galactic nuclei (AGNs) are extremely energetic sources powered by supermassive black holes and found at the center of some galaxies. These black holes feed on large volumes of cosmic dust and gas. Before it is eaten up, this material spirals towards the black hole, and huge amounts of energy are released in the process, often outshining all the stars in the galaxy.
Astronomers have been curious about AGNs ever since they first spotted these bright objects in the 1950s. Now, thanks to ESO’s VLTI, a team of researchers, led by Violeta Gámez Rosas from Leiden University in the Netherlands, have taken a key step towards understanding how they work and what they look like up close. The results are published today (February 16, 2022)y in Nature.
Les noyaux actifs de galaxie (AGN) sont des sources extrêmement énergétiques alimentées par des trous noirs supermassifs. Cette courte vidéo donne un aperçu de ces objets particuliers en présentant une nouvelle découverte sur le NGA au centre de la galaxie Messier 77. Crédit : ESO
En effectuant des observations extraordinairement détaillées du centre de la galaxie Messier 77, également connue sous le nom de NGC 1068, Gámez Rosas et son équipe ont détecté un anneau épais de poussière et de gaz cosmiques cachant un trou noir supermassif. Cette découverte fournit des preuves essentielles pour soutenir une théorie vieille de 30 ans, connue sous le nom de modèle unifié des AGN.
Les astronomes savent qu’il existe différents types de NAG. Par exemple, certains émettent des rafales d’ondes radio, d’autres non ; certains AGN brillent de mille feux dans la lumière visible, tandis que d’autres, comme Messier 77, sont plus discrets. Selon le modèle unifié, malgré leurs différences, tous les AGN ont la même structure de base : un trou noir supermassif entouré d’un épais anneau de poussière.
Cette image, prise par l’instrument MATISSE de l’interféromètre du Very Large Telescope de l’ESO, montre la région très interne de la galaxie active Messier 77. Les noyaux actifs de galaxie sont des sources extrêmement énergétiques alimentées par des trous noirs supermassifs. En effectuant des observations extraordinairement détaillées du centre actif de cette galaxie, une équipe d’astronomes a détecté un épais anneau de poussière et de gaz cosmiques cachant un trou noir supermassif. Le point noir indique la position la plus probable du trou noir, tandis que les deux ellipses montrent l’étendue, vue en projection, de l’épais anneau de poussière interne (en pointillés) et du disque de poussière étendu. Crédit : ESO/Jaffe, Gámez-Rosas et al.
Selon ce modèle, toute différence d’apparence entre les AGN résulte de l’orientation avec laquelle nous observons le trou noir et son anneau épais depuis la Terre. Le type d’AGN que nous voyons dépend de la mesure dans laquelle l’anneau masque le trou noir de notre point de vue, le cachant complètement dans certains cas.
Les astronomes avaient déjà trouvé des preuves à l’appui du modèle unifié, notamment en repérant de la poussière chaude au centre de Messier 77. Cependant, des doutes subsistaient quant à la capacité de cette poussière à cacher complètement un trou noir et donc à expliquer pourquoi cet AGN brille moins que les autres en lumière visible.
Le Very Large Telescope (VLT) de l’ESO a capturé une magnifique vue de face de la galaxie spirale barrée Messier 77. L’image rend justice à la beauté de la galaxie, montrant ses bras scintillants sillonnés de couloirs de poussière – mais elle ne trahit pas la nature turbulente de Messier 77. Crédit : ESO
“La nature réelle des nuages de poussière et leur rôle à la fois dans l’alimentation du trou noir et dans la détermination de son apparence vue de la Terre ont été des questions centrales dans les études sur les AGN au cours des trois dernières décennies”, explique Gámez Rosas. “Bien qu’aucun résultat ne puisse à lui seul régler toutes les questions que nous nous posons, nous avons franchi une étape majeure dans la compréhension du fonctionnement des AGN.”
Les observations ont été rendues possibles grâce à l’expérience spectro-scopique infrarouge moyen Multi AperTure (MATISSE) montée sur le VLTI de l’ESO, situé dans le désert d’Atacama au Chili. MATISSE a combiné la lumière infrarouge collectée par les quatre télescopes de 8,2 mètres du Very Large Telescope (VLT) de l’ESO en utilisant une technique appelée interférométrie. L’équipe a utilisé MATISSE pour balayer le centre deMessier 77, situé à 47 millions d’années-lumière dans la constellation de Cetus.
Cette animation montre à quoi pourrait ressembler le noyau de Messier 77. Comme d’autres noyaux actifs de galaxie, la région centrale de Messier 77 est alimentée par un trou noir qui est entouré d’un mince disque d’accrétion, lui-même entouré d’un épais anneau ou tore de gaz et de poussière. Dans le cas de Messier 77, cet anneau épais masque complètement la vue du trou noir supermassif. On pense également que ce noyau galactique actif possède des jets, ainsi que des vents de poussière, qui s’échappent de la région entourant le trou noir perpendiculairement au disque d’accrétion qui l’entoure. Crédit : ESO/M. Kornmesser et L. Calçada
“MATISSE peut voir une large gamme de longueurs d’onde infrarouges, ce qui nous permet de voir à travers la poussière et de mesurer les températures avec précision. Comme le VLTI est en fait un très grand interféromètre, nous avons la résolution nécessaire pour voir ce qui se passe même dans des galaxies aussi éloignées que Messier 77. Les images que nous avons obtenues détaillent les changements de température et d’absorption des nuages de poussière autour du trou noir”, explique le co-auteur Walter Jaffe, professeur à l’université de Leyde.
Ce graphique montre l’emplacement de la galaxie active Messier 77 dans la constellation de Cetus (le monstre des mers). Elle montre la plupart des étoiles visibles à l’œil nu par une nuit sombre et claire. Crédit : ESO, IAU et Sky & ; Telescope
En combinant les changements de température de la poussière (de la température ambiante à environ 1200 °C) causés par le rayonnement intense du trou noir avec les cartes d’absorption, l’équipe a dressé une image détaillée de la poussière et a localisé l’emplacement du trou noir. La poussière – sous la forme d’un anneau interne épais et d’un disque plus étendu – avec le trou noir positionné en son centre soutient le modèle unifié. L’équipe a également utilisé les données du Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, propriété de l’ESO, et du Very Long Baseline Array du National Radio Astronomy Observatory pour construire son image.
Cette infographie animée fournit une représentation simplifiée du modèle unifié des noyaux actifs de galaxie ou AGN, des sources énergétiques alimentées par des trous noirs supermassifs qui existent au centre de certaines galaxies.
Les astronomes ont observé différents types de NAG. Certains, appelés blazars, sont extrêmement brillants et peuvent subir des changements de luminosité sur des échelles de temps de quelques heures ou de quelques jours seulement, tandis qu’un autre type, appelé quasars, est également très brillant mais tend à être moins variable que les blazars. Les galaxies de Seyfert, qui existent en deux types (1 et 2), sont un autre type d’AGN, qui sont entourées de galaxies hôtes clairement détectables. Les galaxies de Seyfert 1 et de Seyfert 2 ont toutes deux un noyau brillant, mais celles de Seyfert 2 ont tendance à être plus discrètes.
Le modèle unifié des AGNs stipule que malgré leurs différences, tous les AGNs ont la même structure de base : un trou noir supermassif entouré d’un épais anneau ou tore de poussière. Selon ce modèle, toute différence d’apparence entre les AGNs résulte de l’orientation avec laquelle nous observons le trou noir et son anneau épais depuis la Terre. Le type d’AGN que nous voyons dépend de la mesure dans laquelle l’anneau masque le trou noir depuis notre point de vue, le cachant complètement dans certains cas.
Crédit : ESO/L. Calçada et M. Kornmesser
“Nos résultats devraient permettre de mieux comprendre le fonctionnement interne des AGN”, conclut Gámez Rosas. “Ils pourraient également nous aider à mieux comprendre l’histoire de la Milky Way, which harbors a supermassive black hole at its center that may have been active in the past.”
The researchers are now looking to use ESO’s VLTI to find more supporting evidence of the Unified Model of AGNs by considering a larger sample of galaxies.
Team member Bruno Lopez, the MATISSE Principal Investigator at the Observatoire de la Côte d’Azur in Nice, France, says: “Messier 77 is an important prototype AGN and a wonderful motivation to expand our observing program and to optimize MATISSE to tackle a wider sample of AGNs.”
This image from the Digitized Sky Survey shows spiral galaxy Messier 77 and its surroundings. Messier 77 appears at the center and the edge-on galaxy NGC 1055 to its upper-right. Credit: NASA/ESA, Digitized Sky Survey 2
ESO’s Extremely Large Telescope (ELT), set to begin observing later this decade, will also aid the search, providing results that will complement the team’s findings and allow them to explore the interaction between AGNs and galaxies.
Reference: “Thermal imaging of dust hiding the black hole in the Active Galaxy NGC 1068” 16 February 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04311-7
The team is composed of Violeta Gámez Rosas (Leiden Observatory, Leiden University, Netherlands [Leiden]), Jacob W. Isbell (Institut Max Planck d’Astronomie, Heidelberg, Allemagne). [MPIA]), Walter Jaffe (Leyde), Romain G. Petrov (Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, Laboratoire Lagrange, France). [OCA]), James H. Leftley (OCA), Karl-Heinz Hofmann (Institut Max Planck pour la radioastronomie, Bonn, Allemagne [MPIfR]), Florentin Millour (OCA), Leonard Burtscher (Leiden), Klaus Meisenheimer (MPIA), Anthony Meilland (OCA), Laurens B. F. M. Waters (Département d’astrophysique/IMAPP, Université Radboud, Pays-Bas ; SRON, Institut néerlandais pour la recherche spatiale, Pays-Bas), Bruno Lopez (OCA), Stéphane Lagarde (OCA), Gerd Weigelt (MPIfR), Philippe Berio (OCA), Fatme Allouche (OCA), Sylvie Robbe-Dubois (OCA), Pierre Cruzalèbes(OCA), Felix Bettonvil (ASTRON, Dwingeloo, Pays-Bas). [ASTRON]), Thomas Henning (MPIA), Jean-Charles Augereau (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Institut des sciences planétaires et d’astrophysique, France [IPAG]), Pierre Antonelli (OCA), Udo Beckmann (MPIfR), Roy van Boekel (MPIA), Philippe Bendjoya (OCA), William C. Danchi (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA), Carsten Dominik (Anton Pannekoek Institute for Astronomy, University of Amsterdam, The Netherlands [API]), Julien Drevon (OCA), Jack F. Gallimore (Département de physique et d’astronomie, Université Bucknell, Lewisburg, Pennsylvanie, USA), Uwe Graser (MPIA), Matthias Heininger (MPIfR), Vincent Hocdé (OCA), Michiel Hogerheijde (Leiden ; API), Josef Hron (Département d’astrophysique, Université de Vienne, Autriche), Caterina M. V. Impellizzeri (Leiden), Lucia Klarmann (MPIA), Elena Kokoulina (OCA), Lucas Labadie (1er Institut de Physique, Université de Cologne, Allemagne), Michael Lehmitz (MPIA), Alexis Matter (OCA), Claudia Paladini (Observatoire Européen Austral, Santiago, Chili). [ESO-Chile]), Eric Pantin (Centre d’Etudes de Saclay, Gif-sur-Yvette, France), Jörg-Uwe Pott (MPIA), Dieter Schertl (MPIfR), Anthony Soulain (Institut d’Astronomie de Sydney, Université de Sydney, Australie). [SIfA]), Philippe Stee (OCA), Konrad Tristram (ESO-Chile), Jozsef Varga (Leiden), Julien Woillez (Observatoire européen austral, Garching bei München, Allemagne). [ESO]), Sebastian Wolf (Institut de physique théorique et d’astrophysique, Université de Kiel, Allemagne), Gideon Yoffe (MPIA), et Gerard Zins (ESO-Chili).
MATISSE a été conçu, financé et construit en étroite collaboration avec l’ESO, par un consortium composé d’instituts en France (Laboratoire J.-L. Lagrange – INSU-CNRS – Observatoire de la Côte d’Azur – Université de Nice Sophia-Antipolis), en Allemagne (MPIA, MPIfR et Université de Kiel), aux Pays-Bas (NOVA et Université de Leiden), et en Autriche (Université de Vienne). L’Observatoire Konkoly et l’Université de Cologne ont également apporté leur soutien à la fabrication de l’instrument.
