Pourrait-on « peser » les trous noirs supermassifs à l’aide des jets qu’ils émettent ?

Comment mesurer le plus précisément possible le poids d’un objet qui peut peser jusqu’à des milliards de masses solaires ? Une équipe de scientifiques vient de proposer une nouvelle méthode pour « peser » les trous noirs. Leur étude, relayée par l’Institut de physique et de technique de Moscou le 24 septembre 2019, a été publiée dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (une prépublication du texte est consultable sur la plateforme arXiv.org).

Les auteurs ont travaillé sur le trou noir de la galaxie Messier 87, nommé « M87* ». C’est un trou noir supermassif, dont la masse est estimée à 6,5 milliards de fois celle du Soleil (c’est si imposant qu’il faut une semaine à ce trou noir pour faire un tour sur lui-même). M87* est le premier trou noir a avoir été imagé par les scientifiques. Ce sont les jets émis le trou noir de cette galaxie active qui ont intéressé les scientifiques : leurs caractéristiques pourraient permettre d’estimer la masse de M87*.

Un jet émis par le trou noir de la galaxie Messier 87.

Source : Flickr/CC/NASA Hubble Space Telescope (photo recadrée)

Un trou noir désigne une région de l’espace qui ne diffuse pas la lumière. Le champ gravitationnel de cet objet est si intense que la matière ou les rayonnements qui y pénètrent ne peuvent alors plus s’en échapper. C’est pour cela qu’on ne peut pas voir un trou noir, qui est optiquement invisible. Comme le rappellent les scientifiques, on associe en général les galaxies actives (comme Messier 87) à la présence d’un trou noir supermassif (d’un million de masses solaires ou davantage) en leur centre. « La masse du trou noir supermassif définit l’apparence des noyaux actifs de galaxies et leurs caractéristiques observables majeures », écrivent les scientifiques.

Les jets de ce trou noir ne sont pas homogènes

Pour l’instant, la masse de M87* a pu être estimée en utilisant le comportement « de la population de galaxies dans le champ de gravitation du trou noir supermassif », complètent les auteurs. La nouvelle étude propose de se servir des jets émis par la galaxie Messier 87 pour calculer la masse du trou noir. Plusieurs caractéristiques des jets sont utilisées par les scientifiques, dont une qui retient particulièrement l’attention : leur forme. Les jets ne sont pas homogènes sur toute leur longueur. On sait qu’un même jet de M87 peut changer de forme, passant d’une forme parabolique à une forme conique (un phénomène observé dans d’autres galaxies). Une relation semble exister entre cette « rupture dans la forme du jet de M87 » et l’influence gravitationnelle du trou noir.

Des jets de M87.

Source : Wikimedia/CC/Nasa (photo recadrée)

Comme le résume l’Institut de physique et de technique de Moscou dans son communiqué, il faut imaginer cette relation entre le trou noir supermassif et les jets comme « les deux faces d’une même pièce » : l’un peut aider à comprendre l’autre. La masse du trou noir a été estimée indirectement, en utilisant la distance entre le noyau de la galaxie et l’endroit où le jet est rompu, ainsi que l’épaisseur du jet. Le résultat obtenu est présenté sous la forme d’une équation complexe dans l’étude. Mais les chercheurs écrivent plus clairement que « cette méthode [les] amène à penser que le trou noir supermassif de M87 a une masse légèrement supérieure à celle généralement reconnue jusqu’à présent ».

La méthode reste à perfectionner

Même si cette nouvelle manière de mesurer la masse des trous noirs supermassifs logés dans une galaxie active est prometteuse, les auteurs reconnaissent cependant ses limites. Ils expliquent ainsi que cette technique de mesure est comparable aux méthodes déjà existantes. Leurs résultats sont comparables à ceux de l’Event Horizon Telescope, la collaboration qui a permis d’imager M87*. Dans l’étude, les scientifiques ajoutent qu’il existe une marge d’erreur pour plusieurs paramètres, par exemple lorsqu’il s’agit de déterminer la position de la zone de rupture dans le jet.

« Nous sommes en mesure d’estimer la masse, la rotation et le flux magnétique du trou noir dans un jet », assurent néanmoins les auteurs. Ils ajoutent qu’il faudrait pouvoir étudier encore plus précisément les contours des jets émis par les galaxies actives, pour estimer plus précisément la masse du trou noir central avec cette méthode.