L'univers observable est un endroit extrêmement grand, mesurant environ 91 milliards d'années-lumière de diamètre. En conséquence, les astronomes sont obligés de s'appuyer sur des instruments puissants pour voir des objets lointains. Mais même ceux-ci sont parfois limités et doivent être associés à une technique connue sous le nom de lentille gravitationnelle. Cela implique de s'appuyer sur une large distribution de matière (une galaxie ou une étoile) pour grossir la lumière provenant d'un objet distant.
Grâce à cette technique, une équipe internationale dirigée par des chercheurs du Owens Valley Radio Observatory (OVRO) du California Institute of Technology (Caltech) a pu observer des jets de gaz chaud crachant d'un trou noir supermassif dans une galaxie éloignée (connue sous le nom de PKS 1413 + 135). La découverte a fourni la meilleure vue à ce jour des types de gaz chauds qui sont souvent détectés provenant des centres de trous noirs supermassifs (SMBH).
Les résultats de la recherche ont été décrits dans deux études publiées dans le numéro du 15 août de The Astrophysical Journal. Les deux étaient dirigés par Harish Vedantham, un boursier postdoctoral Caltech Millikan, et faisaient partie d'un projet international dirigé par Anthony Readhead - le professeur Robinson d'astronomie, émérite et directeur de l'OVRO.
Ce projet OVRO est actif depuis 2008, effectuant des observations deux fois par semaine de quelque 1 800 SMBH actifs et de leurs galaxies respectives à l'aide de son télescope de 40 mètres. Ces observations ont été menées à l’appui du télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA, qui a mené des études similaires sur ces galaxies et leurs SMBH au cours de la même période.
Comme l'équipe l'a indiqué dans ses deux études, ces observations ont fourni un nouvel aperçu des amas de matière qui sont périodiquement éjectés des trous noirs supermassifs, ainsi que de nouvelles possibilités de recherche sur les lentilles gravitationnelles. Comme le Dr Vedantham l'a indiqué dans un récent communiqué de presse de Caltech:
«Nous connaissons l'existence de ces amas de matériaux coulant le long des jets de trous noirs, et qu'ils se rapprochent de la vitesse de la lumière, mais on ne sait pas grand-chose de leur structure interne ou de la façon dont ils sont lancés. Avec des systèmes de lentilles comme celui-ci, nous pouvons voir les mottes plus près du moteur central du trou noir et avec beaucoup plus de détails qu'auparavant. »
Alors que toutes les grandes galaxies auraient une SMBH au centre de leur galaxie, toutes n'ont pas de jets de gaz chauds les accompagnant. La présence de tels jets est associée à ce qui est connu sous le nom de noyau galactique actif (AGN), une région compacte au centre d'une galaxie qui est particulièrement lumineuse dans de nombreuses longueurs d'onde - y compris la radio, les micro-ondes, l'infrarouge, l'optique, l'ultra-violet, Rayonnement aux rayons X et gamma.
Ces jets sont le résultat d'un matériau qui est tiré vers une SMBH, dont certains finissent par être éjectés sous forme de gaz chaud. La matière de ces cours d'eau se déplace à une vitesse proche de la vitesse de la lumière et les cours d'eau sont actifs pendant des périodes allant de 1 à 10 millions d'années. Alors que la plupart du temps, les jets sont relativement cohérents, ils crachent toutes les quelques années des bouquets supplémentaires de matière chaude.
En 2010, les chercheurs d'OVRO ont remarqué que les émissions radio du PKS 1413 + 135 s'étaient éclaircies, s'estompaient puis s'étalaient à nouveau au cours d'une année. En 2015, ils ont remarqué le même comportement et ont effectué une analyse détaillée. Après avoir écarté d'autres explications possibles, ils ont conclu que l'éclaircissement global était probablement dû à l'éjection de deux amas de matériaux à grande vitesse du trou noir.
Ces amas ont voyagé le long du jet et se sont agrandis lorsqu'ils sont passés derrière la lentille gravitationnelle qu'ils utilisaient pour leurs observations. Cette découverte fut fortuite et fut le résultat de nombreuses années d'études astronomiques. Comme l'a expliqué Timothy Pearson, chercheur principal à Caltech et co-auteur de l'article:
«Il a fallu observer un grand nombre de galaxies pour trouver cet objet avec les creux symétriques de luminosité qui indiquent la présence d'une lentille gravitationnelle. Nous examinons maintenant attentivement toutes nos autres données pour essayer de trouver des objets similaires qui peuvent donner une vue agrandie des noyaux galactiques. »
Ce qui était également passionnant dans les observations de l’équipe internationale était la nature de la «lentille» qu’elles utilisaient. Dans le passé, les scientifiques se sont appuyés sur des lentilles massives (c'est-à-dire des galaxies entières) ou des microlentilles constituées d'étoiles simples. Cependant, l'équipe dirigée par le Dr Vedantham et le Dr Readhead s'est appuyée sur ce qu'ils décrivent comme une «milli-lentille» d'environ 10 000 masses solaires.
Il pourrait s'agir de la première étude de l'histoire reposant sur une lentille de taille intermédiaire, qui, selon eux, est probablement un amas d'étoiles. L'un des avantages d'une lentille de taille milliaire est qu'elle n'est pas assez grande pour bloquer toute la source de lumière, ce qui facilite la détection d'objets plus petits. Avec ce nouveau système de lentilles gravitationnelles, on estime que les astronomes pourront observer des touffes à des échelles environ 100 fois plus petites qu'auparavant. Comme l'explique Readhead:
«Les touffes que nous voyons sont très proches du trou noir central et sont minuscules - seulement quelques jours-lumière de diamètre. Nous pensons que ces minuscules composants se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière sont grossis par une lentille gravitationnelle dans la galaxie spirale de premier plan. Cela fournit une résolution exquise d'un millionième de seconde d'arc, ce qui équivaut à voir un grain de sel sur la lune depuis la Terre. »
De plus, les chercheurs indiquent que la lentille elle-même présente un intérêt scientifique, pour la simple raison que l'on ne sait pas grand-chose sur les objets de cette gamme de masse. Cet amas d'étoiles potentiel pourrait donc agir comme une sorte de laboratoire, donnant aux chercheurs la possibilité d'étudier la milli-lentille gravitationnelle tout en offrant une vue claire des jets nucléaires provenant des noyaux galactiques actifs.
Pour l'avenir, l'équipe espère confirmer les résultats de ses études en utilisant une autre technique connue sous le nom d'interférométrie à très longue ligne de base (VLBI). Cela impliquera des radiotélescopes du monde entier prenant des images détaillées du PKS 1413 + 135 et du SMBH en son centre. Compte tenu de ce qu'ils ont observé jusqu'à présent, il est probable que cette SMBH crachera un autre amas de matière dans quelques années (d'ici 2020).
Vedantham, Readhead et leurs collègues prévoient d'être prêts pour cet événement. Le repérage de ce prochain amas validerait non seulement leurs études récentes, mais validerait également la technique de milli-lentille qu'ils ont utilisée pour effectuer leurs observations. Comme l'a indiqué Readhead, "Nous ne pourrions pas faire de telles études sans un observatoire universitaire comme l'Owens Valley Radio Observatory, où nous avons le temps de consacrer un grand télescope exclusivement à un seul programme."
Les études ont été rendues possibles grâce au financement de la NASA, de la National Science Foundation (NSF), de la Smithsonian Institution, de l'Academia Sinica, de l'Académie de Finlande et du Centre chilien d'Excelencia en Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA).
