Pour la première fois hors de notre galaxie, des scientifiques ont révélé les propriétés des nuages de gaz en mouvement rapide au plus près d’un trou noir super-massif, permettant de mesurer la masse du trou noir avec une précision sans précédent. Cette mesure a été réalisée avec l’instrument Gravity du Very Large Telescope (VLT, Observatoire européen austral) par une équipe internationale comprenant des chercheurs du CNRS, de l’Observatoire de Paris – PSL, de l’Université Grenoble-Alpes et de l'Observatoire de la Côte d'Azur. Elle est publiée dans Nature le 29 novembre 2018.
Les chercheurs estiment généralement la masse des trous noirs super-massifs situés au cœur des galaxies en observant le mouvement d'étoiles ou de gaz tournant autour : schématiquement, plus ils tournent vite, plus le trou noir est massif. Pour les galaxies lointaines, mesurer directement les mouvements du gaz au plus près du trou noir était jusqu’ici impossible, ces régions gazeuses étant trop petites pour être observables. Pour estimer la masse du trou noir central, les astrophysiciens mesurent alors plutôt le temps séparant l’émission de lumière depuis l’environnement immédiat du trou noir et sa réverbération par les nuages de gaz, pour en déduire la taille de la structure de gaz et, de là, la masse du trou noir. C’est la méthode dite de « cartographie de réverbération ».
Dans cette nouvelle étude, des astrophysiciens ont utilisé l’instrument Gravity du VLT pour plonger au cœur de 3C 273, le premier quasar identifié, situé au centre d’une galaxie à environ 2,5 milliards d’années-lumière. Selon une technique appelée interférométrie, l’instrument Gravity combine la lumière reçue par les quatre télescopes du VLT, au Chili. Equivalente à un télescope de 130 mètres de diamètre, cette combinaison offre aux astronomes un gain énorme en résolution spatiale puisqu’elle permettrait par exemple de déceler une pièce de 1 euro posée sur la Lune. «Les données obtenues avec GRAVITY ont permis d'améliorer la précision d'un facteur 10 par rapport aux précédentes obtenues avec l'instrument AMBER», précise Florentin Millour, astronome-adjoint à l'UMR Lagrange (CNRS-UNS-OCA), qui a pu comparer la qualité des deux jeux de données.
L’observation du quasar 3C 273 par Gravity a permis de détecter pour la première fois le mouvement des nuages de gaz en rotation au plus près du trou noir d’un quasar. D’un rayon de près de 4 000 milliards de kilomètres, la structure de gaz observée tourne à des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres par seconde autour d’un axe correspondant au jet de matière émis par le quasar. «Observer le gaz en rotation autour d'un trou noir supermassif est un moyen de comprendre pourquoi certaines galaxies ont un noyau ultra-lumineux, tandis que le noyau de notre Galaxie ne l'est apparemment pas. L'étude du trou noir central de notre galaxie est importante pour comprendre comment celle-ci se structure autour de lui», explique Florentin Millour qui poursuit «Le même type d'étude sur d'autres galaxies permet de comparer avec la nôtre pour mieux la comprendre.»
Ces résultats ont ainsi permis de « peser » le trou noir super-massif au cœur de 3C 273. La masse estimée grâce à Gravity, environ 300 millions de masses solaires, est conforme aux mesures antérieures obtenues par cartographie de réverbération, mais avec une précision 100 fois meilleure.
Gravity valide donc la méthode de « cartographie par réverbération » pour peser les trous noirs super-massifs et offre en outre une nouvelle méthode indépendante, et extrêmement précise, pour mesurer leur masse dans des milliers d'autres quasars.
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| Image optique du quasar 3C273, obtenue avec le télescope spatial Hubble. Le quasar réside au coeur d’une galaxie elliptique géante de la constellation de la Vierge, à une distance d'environ 2,5 milliards d'années-lumière. Un jet de matière provenant des régions centrales de la galaxie est visible à gauche de l'image. © ESA / Hubble & NASA |
Cartographie de la vitesse des nuages dans le disque de gaz entourant le trou noir super-massif. Les points rouges correspondent à des nuages s'éloignant de l'observateur, les bleus à des nuages se dirigeant vers l'observateur. La simple distribution des points dans la figure démontre la rotation des nuages autour d’un axe de rotation coïncidant avec la direction du jet émis par le quasar. © Collaboration Gravity |
Ces résultats sont présentés dans un article Nature signé par la collaboration GRAVITY : E. Sturm (Institut Max Planck de physique extraterrestre [MPE]), J. Dexter (MPE), O. Pfuhl (MPE), MR Stock (MPE), RI Davies (MPE), D. Lutz (MPE), Y. Clénet (LESIA, Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité [LESIA]), A. Eckart (Université de Cologne ; Institut Max Planck de radioastronomie), F. Eisenhauer (MPE), R. Genzel (MPE; Université de Californie), D. Gratadour (LESIA), SF Hönig (Département de physique et d’astronomie, Université de Southampton), M. Kishimoto (Département de physique, Université Kyoto Sangyo), S. Lacour (LESIA), F. Millour (Université de la Côte d'Azur, Observatoire de la Côte d'Azur, CNRS), H. Netzer (École de physique et d'astronomie, Tel. Université d'Aviv), G. Perrin (LESIA), BM Peterson (Département d'astronomie, Université d'État de l'Ohio, Centre de cosmologie et de physique des particules astro, Université d'État de l'Ohio, Space Telescope Science Institute), P.O. Petrucci (Université Grenoble Alpes, CNRS, IPAG), D. Rouan (LESIA), I. Waisberg (MPE), J. Woillez (ESO, Garching, Allemagne), A. Amorim (CENTRA et Universidade de Lisboa), W. Brandner (Institut Max Planck pour l'astronomie), NM Förster Schreiber (MPE), PJV Garcia (CENTRA et Universidade do Porto, ESO, Santiago, Chili), S. Gillessen (MPE), T. Ott (MPE), T. Paumard ( LESIA), K. Perraut (Université Grenoble Alpes, CNRS, IPAG), S. Scheithauer (Institut Max Planck pour l'astronomie), C. Straubmeier (1. Institut Physikalisches, Universität zu Köln), LJ Tacconi (MPE), F. Widmann (MPE
Contacts
Yann Clénet, LESIA (Observatoire de Paris, CNRS, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité) yann.clenet@obspm.fr
Florentin Millour, UMR Lagrange (CNRS, Université de Nice Sophia Antipolis, Observatoire de la Côte d'Azur) fmillour@oca.eu
Presse CNRS : Véronique Etienne, T+33 (0)1 44 96 51 37 veronique.etienne@cnrs.fr
Prese OCA : Marc Fulconis, T +33(0)6 89 66 65 56 marc.fulconis@oca.eu
Référence
Spatially resolved ordered rotation of a quasar broad-line region at sub-parsec scale, GRAVITY collaboration: E. Sturm, J. Dexter, O.Pfuhl et al., Nature, 29. November 2018.
