À l'aide d'un nouveau modèle informatique, les astronomes ont déterminé que le trou noir au centre de la galaxie M87 est au moins deux fois plus grand qu'on ne le pensait auparavant. Pesant 6,4 milliards de fois la masse du Soleil, il s'agit du trou noir le plus massif jamais mesuré, et ce nouveau modèle suggère que les masses acceptées des trous noirs dans d'autres grandes galaxies voisines pourraient être décalées de quantités similaires. Cela a des conséquences sur les théories sur la façon dont les galaxies se forment et se développent, et pourrait même résoudre un paradoxe astronomique de longue date.
Les astronomes Karl Gebhardt de l'Université du Texas à Austin et Jens Thomas du Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics ont détaillé leurs conclusions lundi lors de la conférence de l'American Astronomical Society à Pasadena, en Californie.
Pour essayer de comprendre comment les galaxies se forment et se développent, les astronomes commencent par des informations de base sur les galaxies d'aujourd'hui, telles que leur composition, leur taille et leur poids. Les astronomes mesurent cette dernière catégorie, la masse des galaxies, en cadencant la vitesse des étoiles en orbite à l'intérieur de la galaxie.
Les études de la masse totale sont importantes, a déclaré Thomas, mais «le point crucial est de déterminer si la masse se trouve dans le trou noir, les étoiles ou le halo sombre. Vous devez exécuter un modèle sophistiqué pour pouvoir découvrir lequel est lequel. Plus vous avez de composants, plus le modèle est compliqué. »
Pour modéliser M87, Gebhardt et Thomas ont utilisé l'un des supercalculateurs les plus puissants du monde, le système Lonestar de l'Université du Texas au Texas Advanced Computing Center d'Austin. Lonestar est un cluster Dell Linux avec 5 840 cœurs de traitement et peut effectuer 62 billions d'opérations à virgule flottante par seconde. (L'ordinateur portable haut de gamme d'aujourd'hui a deux cœurs et peut effectuer jusqu'à 10 milliards d'opérations en virgule flottante par seconde.)
Le modèle de M87 de Gebhardt et Jens était plus compliqué que les modèles précédents de la galaxie, car en plus de modéliser ses étoiles et son trou noir, il prend en compte le «halo noir» de la galaxie, une région sphérique entourant une galaxie qui s'étend au-delà de sa principale structure visible, contenant la mystérieuse «matière noire» de la galaxie
«Dans le passé, nous avons toujours considéré que le halo sombre était important, mais nous n'avions pas les ressources informatiques pour l'explorer également», a déclaré Gebhardt. «Avant, nous ne pouvions utiliser que des étoiles et des trous noirs. Jetez dans le halo sombre, cela devient trop coûteux en calcul, vous devez aller vers des superordinateurs. »
Le résultat Lonestar était une masse pour le trou noir du M87 plusieurs fois ce que les modèles précédents ont trouvé. "Nous ne nous y attendions pas du tout", a déclaré Gebhardt. Lui et Jens voulaient simplement tester leur modèle sur «la galaxie la plus importante du monde», a-t-il déclaré.
Extrêmement massive et commodément proche (en termes astronomiques), M87 a été l'une des premières galaxies suggérées pour abriter un trou noir central il y a près de trois décennies. Il a également un jet actif qui projette de la lumière sur le noyau de la galaxie tandis que la matière tourbillonne plus près du trou noir, permettant aux astronomes d'étudier le processus par lequel les trous noirs attirent la matière. Tous ces facteurs font de M87 «l'ancre des études supermassives sur les trous noirs», a déclaré Gebhardt.
Ces nouveaux résultats pour M87, ainsi que des indices d'autres études récentes et ses propres observations récentes au télescope (publications en préparation), le conduisent à soupçonner que toutes les masses de trous noirs pour les galaxies les plus massives sont sous-estimées.
Cette conclusion "est importante pour la relation entre les trous noirs et les galaxies", a déclaré Thomas. "Si vous changez la masse du trou noir, vous changez la façon dont le trou noir se rapporte à la galaxie." Il existe une relation étroite entre la galaxie et son trou noir qui a permis aux chercheurs de sonder la physique de la croissance des galaxies au cours du temps cosmique. L'augmentation des masses des trous noirs dans les galaxies les plus massives entraînera une réévaluation de cette relation.
Des masses plus élevées pour les trous noirs dans les galaxies proches pourraient également résoudre un paradoxe concernant les masses de quasars - des trous noirs actifs au centre de galaxies extrêmement éloignées, observés à une époque cosmique beaucoup plus ancienne. Les quasars brillent avec éclat tandis que le matériau s'enroule en spirale, dégageant un rayonnement abondant avant de traverser l'horizon des événements (la région au-delà de laquelle rien - pas même la lumière - ne peut s'échapper).
"Il y a un problème de longue date dans la mesure où les masses des trous noirs des quasars étaient très grandes - 10 milliards de masses solaires", a déclaré Gebhardt. «Mais dans les galaxies locales, nous n'avons jamais vu de trous noirs aussi massifs, pas presque. Le soupçon était avant que les masses de quasars aient eu tort », a-t-il dit. Mais «si nous augmentons la masse de M87 deux ou trois fois, le problème disparaît presque.»
Les conclusions d’aujourd’hui sont basées sur des modèles, mais Gebhardt a également fait de nouvelles observations au télescope de M87 et d’autres galaxies en utilisant de nouveaux instruments puissants sur le télescope Gemini North et le très grand télescope de l’Observatoire austral européen. Il a déclaré que ces données, qui seront soumises pour publication prochainement, soutiennent les conclusions actuelles basées sur un modèle sur la masse du trou noir.
Pour les futures observations au télescope de halos sombres galactiques, Gebhardt note qu'un instrument relativement nouveau à l'Université du Texas à l'observatoire McDonald d'Austin est parfait. "Si vous avez besoin d'étudier le halo pour obtenir la masse du trou noir, il n'y a pas de meilleur instrument que le VIRUS-P", a-t-il déclaré. L'instrument est un spectrographe. Il sépare la lumière des objets astronomiques en ses longueurs d'onde composantes, créant une signature qui peut être lue pour connaître la distance, la vitesse, le mouvement, la température d'un objet, etc.
Le VIRUS-P est bon pour les études de halo car il peut prendre des spectres sur une très grande zone de ciel, permettant aux astronomes d'atteindre les niveaux de lumière très faibles à de grandes distances du centre de la galaxie où le halo sombre est dominant. Il s'agit d'un prototype, conçu pour tester la technologie entrant dans le plus grand spectrographe VIRUS pour la prochaine expérience d'énergie sombre du télescope Hobby-Eberly (HETDEX).
Sources: AAS, Observatoire McDonald
