07/02/2013

Mesurer la Masse des Trous Noirs Supermassifs avec du Gaz

La masse des trous noirs supermassifs que l'on trouve très souvent au centre des galaxies est corrélée à de nombreuses propriétés de la galaxie hôte, ce qui laisse penser que le trou noir supermassif et la galaxie évolueraient ensemble.

La compréhension de ce fait est encore balbutiante du fait que le nombre de trous noirs ayant pu être "pesés" est encore très faible et les méthodes pour évaluer cette masse sont très restreintes. Aujourd'hui, la mesure directe de la masse des trous noirs supermassifs est possible par l'étude de la cinématique des étoiles dans les galaxies jeunes, par l'étude de la cinématique du gaz ionisé dans certaines spirales et les jeunes galaxies.

Une équipe d'astrophysiciens vient de publier des résultats offrant une nouvelle méthode de mesure de la masse des trous noirs supermassifs : ils utilisent la cinématique du gaz moléculaire. En mesurant les raies d'émissions du monoxyde de carbone (CO), dont la longueur d'onde apparaît plus ou moins décalée en fonction de la vitesse, et ce avec une résolution spatiale très fine, puis en modélisant une masse de trou noir et son effet sur la vitesse de ce gaz, ils parviennent à construire les courbes de rotation du gaz, et en ajustant ces courbes, à déterminer la masse du trou noir.

Diagramme M/L en fonction de la masse du trou noir (Davis et al.)

Cette recherche s'est intéressé à la jeune galaxie NGC 4526. L'émission du CO a été observé par interférométrie à l'aide de l'instrument CARMA (Combined Array for Research in Millimeter Astronomy). Thimothy Davis et ses collègues arrivent ainsi à une valeur de 450 millions de masses solaires pour le trou noir de NGC 4526. La résolution spatiale atteinte pour cette détermination fine de la courbe de rotation du gaz est de l'ordre de 0.25'', soit 20 parsecs, et environ égal à la taille de la sphère d'influence du trou noir supermassif. Les simulations de cinématique ont été effectuées avec des masses de trou noir réparties sur une large plage, entre 0 (absence de trou noir) et 1.45 milliards de masses solaires (un monstre), mais aussi en faisant varier un autre paramètre galactique qui est le ratio Masse/luminosité (entre 0.55 et 6.15 M/L solaires), indispensable.
Chaque couple de ces deux paramètres fournit alors une distribution de vitesse de gaz (une courbe de rotation), dont on cherche celle qui s'approche le plus de la courbe de rotation mesurée expérimentalement avec CARMA. Il est alors possible de voir quelle est la masse du trou noir la plus probable, ainsi que le ratio masse/luminosité.
Les auteurs de cette étude pointent tout de même sur le fait que mesurer précisément des vitesses à l'aide de gaz moléculaire peut être affecté des mêmes difficultés qu'avec le gaz ionisé : par exemple, des mouvements turbulents peuvent s'exacerber à proximité du trou ce qui peut apporter des incertitudes.
La présence de poussières peut également être une source non négligeable de difficulté avec cette méthode, en produisant une sous-estimation de la contribution de la matière lumineuse au potentiel gravitationnel. Mais concernant NGC 4526, Davis estime que l'impact de la poussière a été bien pris en compte dans le modèle de masse de la galaxie.

L'utilisation du gaz moléculaire (notamment le CO) semble donc être une technique prometteuse pour la mesure de masse des trous noirs supermassifs tapis au centre des galaxies. Assurément, le nombre de trous noirs "pesés" grâce à cette méthode va pouvoir augmenter considérablement, d'autant que les interféromètres de nouvelle génération comme ALMA vont permettre d'atteindre des résolutions spatiales encore plus fines, 0.15'' ou moins, et en des temps de mesure toujours plus courts, ce qui permet de partager le temps de travail pour de nombreuses équipes d'astronomes de par le monde... 

Source : 
A black-hole mass measurement from molecular gas kinematics in NGC4526
Timothy A. Davis et al.
Nature (30 January 2013)