L’objet le plus brillant jamais observé dans le ciel est un trou noir qui grandit de l’équivalent d’un soleil par jour

Une nouvelle étude publiée dans Nature Astronomy décrit l'objet le plus lumineux jamais observé par les astronomes. Il s'agit d'un trou noir d'une masse de 17 milliards de soleils, qui avale chaque jour une quantité de masse supérieure à celle du soleil. 

Son existence est connue depuis plusieurs décennies, mais comme il est très lumineux, les astronomes ont supposé qu'il devait s'agir d'une étoile proche. Ce n'est que récemment que des observations ont révélé son extrême distance et sa luminosité. 

L'objet a été baptisé J0529-4351. Ce nom fait simplement référence à ses coordonnées sur la sphère céleste, une manière de projeter les objets du ciel à l'intérieur d'une sphère. Il s'agit d'un type d'objet appelé quasar.

La nature physique des quasars était initialement inconnue. Mais en 1963, la lumière visible d'un quasar appelé 3C 273 a été divisée en toutes ses longueurs d'onde (connues sous le nom de spectre). Cela a montré qu'il était situé à près de 2 milliards d'années-lumière.

Compte tenu de la luminosité de 3C 273 et de la distance à laquelle elle se trouve, elle doit être extrêmement lumineuse - terme astronomique désignant la quantité de lumière émise par un objet en une unité de temps. La seule source d'énergie connue pour une luminosité aussi extrême est la matière tombant dans un trou noir supermassif. Les quasars sont donc les trous noirs les plus actifs de l'univers.

Source d'énergie

Les trous noirs supermassifs se trouvent souvent au centre des galaxies. Comme tous les quasars, J0529-4351 est alimenté par de la matière, principalement de l'hydrogène et de l'hélium surchauffés, qui tombe dans son trou noir depuis la galaxie environnante.

Environ une fois la masse du Soleil tombe chaque jour dans ce trou noir. La question de savoir comment une telle quantité de gaz peut être canalisée vers le centre des galaxies pour augmenter la masse des trous noirs reste sans réponse dans le domaine de l'astrophysique. 

Au centre de la galaxie, le gaz prend la forme d'un disque fin. Les propriétés de viscosité (résistance à l'écoulement de la matière dans l'espace) et de friction du disque fin contribuent à chauffer le gaz à des dizaines de milliers de degrés Celsius. Ce gaz est suffisamment chaud pour briller lorsqu'il est observé dans les longueurs d'onde de la lumière ultraviolette et de la lumière visible. C'est cette lueur que nous pouvons observer depuis la Terre. 

Avec une masse d'environ 17 milliards de soleils, J0529-4351 n'est pas le trou noir le plus massif connu. Un objet situé au centre de l'amas de galaxies Abell 1201 équivaut à 30 milliards de soleils. Cependant, il faut garder à l'esprit qu'en raison du temps nécessaire à la lumière pour parcourir l'immense distance qui sépare cet objet de la Terre, nous assistons à ce phénomène alors que l'univers n'était âgé que de 1,5 milliard d'années. Il a aujourd'hui environ 13,7 milliards d'années. 

Ce trou noir a donc dû croître, ou s'accréter, à ce rythme pendant une fraction importante de l'âge de l'univers au moment où il a été observé. Les auteurs pensent que l'accrétion de gaz par le trou noir se produit à une vitesse proche de la limite imposée par les lois de la physique. Une accrétion plus rapide entraîne la formation d'un disque de gaz plus lumineux autour du trou noir qui, à son tour, peut stopper la chute de toute matière supplémentaire.

Histoire de la découverte

J0529-4351 est connue depuis des décennies, mais bien qu'elle possède un disque d'accrétion de gaz 15 000 fois plus grand que notre système solaire et qu'elle occupe sa propre galaxie - dont la taille est probablement proche de celle de la Voie lactée - elle est si éloignée qu'elle apparaît comme un simple point lumineux dans nos télescopes.

Il est donc difficile de la distinguer des milliards d'étoiles de notre galaxie. Pour découvrir qu'il s'agit en fait d'un trou noir distant, puissant et supermassif, il a fallu recourir à des techniques plus complexes. Tout d'abord, les astronomes ont recueilli de la lumière au milieu de la bande d'ondes infrarouges (lumière dont les longueurs d'onde sont beaucoup plus grandes que celles que nous pouvons voir).

Les étoiles et les quasars sont très différents les uns des autres à ces longueurs d'onde. Pour confirmer l'observation, un spectre a été pris (comme pour le quasar 3C 273), à l'aide du télescope de 2,3 mètres de l'Australian National University à l'observatoire de Siding Spring, en Nouvelle-Galles du Sud.

Et, comme pour 3C 273, le spectre a révélé à la fois la nature de l'objet et sa distance - 12 milliards d'années-lumière. Cela a mis en évidence l'extrême luminosité de l'objet.

Des vérifications détaillées

Malgré ces mesures, un certain nombre de vérifications ont été nécessaires pour confirmer la luminosité réelle du quasar. Tout d'abord, les astronomes ont dû s'assurer que la lumière n'avait pas été amplifiée par une source dans le ciel plus proche de la Terre. À l'instar des lentilles utilisées dans les lunettes ou les jumelles, les galaxies peuvent agir comme des lentilles. Elles sont si denses qu'elles peuvent courber et amplifier la lumière de sources plus lointaines parfaitement alignées derrière elles.

Les données du satellite Gaia de l'Agence spatiale européenne, qui dispose de mesures extrêmement précises de la position de J0529-4351, ont été utilisées pour déterminer que J0529-4351 est véritablement une source de lumière unique et sans lentille dans le ciel. Cette conclusion est étayée par des spectres plus détaillés obtenus avec le Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral au Chili. 

J0529-4351 est susceptible de devenir un outil très important pour l'étude future des quasars et de la croissance des trous noirs. La masse des trous noirs est une propriété fondamentale, mais elle est très difficile à mesurer directement, car il n'existe pas de balance standard pour ces objets mystérieux et absurdement grands. 

Une technique consiste à mesurer l'effet du trou noir sur le gaz plus diffus qui gravite autour de lui dans de grands nuages, appelés "région de la raie large". Ce gaz est révélé dans le spectre par de larges "raies d'émission", causées par les électrons qui sautent entre des niveaux d'énergie spécifiques dans le gaz ionisé.

La largeur de ces raies est directement liée à la masse du trou noir, mais l'étalonnage de cette relation est très mal testé pour les objets les plus lumineux tels que J0529-4351. Cependant, en raison de sa taille physique et de sa luminosité, J0529-4351 sera observable par un nouvel instrument en cours d'installation sur le VLT, appelé Gravity+.

Cet instrument permettra de mesurer directement la masse du trou noir et d'étalonner les relations utilisées pour estimer les masses d'autres objets très lumineux.

L'article a été initialement publié sur The Conversation.