Preuve trouvée pour un trou noir masqué dans l'univers primitif

Un groupe d’astronomes, y compris des scientifiques de Penn State, a annoncé la découverte probable d’un trou noir hautement obscurci existant seulement 850 millions d’années après le Big Bang, en utilisant l’observatoire Chandra X-ray de la NASA. C’est la première preuve d’un trou noir masqué à un moment aussi précoce.

Les trous noirs supermassifs se développent généralement en tirant du matériau à partir d’un disque de matière environnante. Pour la croissance la plus rapide, ce processus génère des quantités prodigieuses de rayonnement dans une très petite région autour du trou noir et produit une source extrêmement brillante et compacte appelée quasar.

Les calculs théoriques indiquent que la majeure partie de la croissance initiale des trous noirs se produit alors que le trou noir et le disque sont entourés d’un nuage dense de gaz qui alimente le disque en matériau. Au fur et à mesure que le trou noir se développe, le gaz dans le nuage s’épuise jusqu’à ce que le trou noir et son disque brillant soient découverts.

« Il est extrêmement difficile de trouver des quasars dans cette phase masquée car une grande partie de leur rayonnement est absorbée et ne peut pas être détectée par les instruments actuels », a déclaré Fabio Vito, membre CAS-CONICYT à la Pontificia Universidad Católica de Chile, qui a dirigé l’étude il a commencé comme chercheur postdoctoral à Penn State. « Grâce à Chandra et à la capacité des rayons X à percer le nuage obscurcissant, nous pensons que nous avons enfin réussi. »

La découverte a résulté d’observations d’un quasar appelé PSO 167-13, qui a été découvert pour la première fois par Pan-STARRS, un télescope optique à Hawaï. Les observations optiques de ces enquêtes et d’autres ont abouti à la détection d’environ 200 quasars brillants déjà lorsque l’univers avait moins d’un milliard d’années, soit environ 8% de son âge actuel. Ces levés n’ont été considérés comme efficaces que pour trouver des trous noirs non masqués, car le rayonnement qu’ils détectent est supprimé même par des nuages ​​minces de gaz et de poussière environnants. Par conséquent, le PSO 167-13 ne devait pas être masqué.

L’équipe de Vito a pu tester cette idée en faisant des observations Chandra du PSO 167-13 et de neuf autres quasars découverts avec des levés optiques. Après 16 heures d’observation. tous avec des énergies relativement élevées. Les rayons X à faible énergie sont plus facilement absorbés que les rayons à plus haute énergie, de sorte que l’explication probable de l’observation de Chandra est que le quasar est fortement obscurci par le gaz, ce qui permet de détecter uniquement les rayons X de haute énergie.

« Ce fut une surprise totale », a déclaré le co-auteur Niel Brandt, professeur Verne M. Willaman d’astronomie et d’astrophysique et professeur de physique à Penn State. « C’était comme si nous attendions un papillon de nuit, mais avons vu un cocon à la place. Aucun des neuf autres quasars que nous avons observés n’était masqué, ce que nous avions prévu.  »

Une tournure intéressante pour PSO 167-13 est que la galaxie hébergeant le quasar a une galaxie proche compagnon visible dans les données précédemment obtenues avec l’Atacama Large Millimeter Array (ALMA) d’antennes radio au Chili et le télescope spatial Hubble de la NASA. En raison de leur séparation étroite et de la faiblesse de la source de rayons X, l’équipe n’a pas été en mesure de déterminer si l’émission de rayons X nouvellement découverte était associée au quasar PSO 167-13 ou à la galaxie compagnon.

Si les rayons X proviennent du quasar connu, les astronomes doivent développer une explication pour expliquer pourquoi le quasar est apparu très obscurci dans les rayons X mais pas dans la lumière optique. Une possibilité est qu’il y ait eu une augmentation importante et rapide de l’obscurcissement du quasar au cours des 3 années entre le moment où les observations optiques et les observations aux rayons X ont été effectuées.

En revanche, si au contraire les rayons X proviennent de la galaxie compagne, alors cela représente la détection d’un nouveau quasar à proximité immédiate de PSO 167-13. Cette paire de quasars serait la plus éloignée encore détectée, battant le record de 1,2 milliard d’années après le Big Bang. Dans l’un ou l’autre de ces deux cas, le quasar détecté par Chandra serait le plus éloigné masqué à ce jour. Le détenteur du record précédent est observé 1,3 milliard d’années après le Big Bang. Les auteurs prévoient de faire une caractérisation plus fine de la source avec des observations de suivi.

« Avec une observation plus longue de Chandra, nous serons en mesure d’obtenir une meilleure estimation de l’obscurcissement de ce trou noir », a déclaré le co-auteur Franz Bauer, également de la Pontificia Universidad Católica de Chile et ancien chercheur postdoctoral de Penn State. et faites une identification sûre de la source de rayons X avec le quasar connu ou la galaxie compagnon.  »

Les auteurs prévoient également de rechercher d’autres exemples de trous noirs très obscurcis.

« Nous soupçonnons que la majorité des trous noirs supermassifs dans l’univers primitif sont masqués: il est alors crucial de les détecter et de les étudier pour comprendre comment ils pourraient atteindre des masses d’un milliard de soleils si rapidement », a déclaré le co-auteur Roberto Gilli de l’INAF dans Bologne, Italie.

Un article décrivant ces résultats paraîtra en ligne le 8 août dans la revue Astronomy & Astrophysics. Le Marshall Space Flight Center de la NASA gère le programme Chandra. Le centre de rayons X Chandra de l’observatoire d’astrophysique du Smithsonian contrôle la science et les opérations aériennes depuis Cambridge, MA. Les données utilisées dans cette recherche ont été recueillies à l’aide du spectromètre d’imagerie avancé CCD sur Chandra, un instrument conçu et conçu par une équipe dirigée par Penn State Evan Pugh, professeur émérite d’astronomie et d’astrophysique Gordon Garmire.

Outre Vito, Brandt et Bauer, l’équipe de recherche comprend également d’anciens chercheurs postdoctoraux de Penn State, Ohad Shemmer, Cristian Vignali et Bin Luo, qui a également obtenu son doctorat à Penn State.