Cette conception d’artiste montre un blazar – le cœur d’une galaxie active alimentée par un trou noir supermassif. Crédit : M. Weiss/CfA
Des chercheurs de l’État de Pennsylvanie ont récemment caractérisé plus d’une centaine de blazars – galaxies lointaines et dynamiques abritant un trou noir supermassif central qui propulse de puissants jets – à partir d’un catalogue d’émissions cosmiques de haute énergie non classifiées jusqu’à présent. Les blazars nouvellement reconnus, qui sont peu lumineux par rapport à la plupart de leurs homologues, ont permis aux scientifiques de tester une théorie controversée concernant les émissions de blazars. Ces nouvelles connaissances contribuent à notre compréhension de l’expansion des trous noirs et ont même un impact sur nos théories relatives à la relativité générale et à la physique des particules de haute énergie.
Un article décrivant les blazars et la théorie a été récemment publié dans l’Astrophysical Journal.
Les trous noirs supermassifs peuvent atteindre des millions ou des milliards de fois la masse de notre soleil. Dans certains cas, la matière située à l’extérieur de l’horizon des événements du trou noir est propulsée dans un jet, accélérant à une vitesse proche de celle de la lumière et envoyant des émissions à travers l’univers. Lorsque le jet est dirigé directement vers la Terre, le système est généralement appelé « blazar ».
« Comme le jet d’un blazar est dirigé directement vers nous, nous pouvons le voir de beaucoup plus loin que les autres systèmes de trous noirs, un peu comme une lampe de poche apparaît plus brillante lorsque vous la regardez directement », explique Stephen Kerby, étudiant diplômé en astronomie et en astrophysique à Penn State et premier auteur de l’article. « L’étude des blazars est passionnante car leurs propriétés nous permettent de répondre à des questions sur les trous noirs supermassifs dans l’univers. Dans cette étude, nous avons utilisé des méthodes relativement nouvelles pour caractériser 106 blazars peu lumineux et tester les prédictions d’une théorie controversée appelée « séquence de blazars ».
Les blazars émettent de la lumière sur l’ensemble du spectre électromagnétique, depuis les longueurs d’onde de faible énergie comme la radio, l’infrarouge et la lumière visible, jusqu’aux longueurs d’onde de plus haute énergie comme les rayons X et les rayons gamma. Lorsque les astronomes étudient les observations de ces émissions, ils constatent généralement deux pics importants, l’un dans les rayons gamma et l’autre dans les longueurs d’onde de faible énergie. Les longueurs d’onde et l’intensité de ces pics varient d’un blazar à l’autre et avec le temps. Une théorie générale des blazars, définie par la « séquence des blazars », prédit que le pic de basse énergie des blazars les plus brillants sera, en moyenne, plus rouge – moins énergétique – que celui des blazars les moins lumineux, tandis que le pic de basse énergie des blazars les moins lumineux sera plus bleu – plus énergétique.
« Certains des blazars les plus excitants et les plus extrêmes sont découverts en détectant leur émission de rayons gamma, mais nous ne pouvons généralement pas classer ou comprendre ces objets sans d’autres observations multi-longueurs d’onde », a déclaré Abe Falcone, professeur d’astronomie et d’astrophysique et chef d’un groupe d’astrophysique des hautes énergies à Penn State. « Avec nos télescopes actuels, il est en fait très difficile de détecter et de classer les blazars rouges à faible énergie qui sont également peu lumineux, alors qu’il est beaucoup plus facile de trouver ces blazars lorsque leurs pics sont à des énergies plus élevées ou lorsqu’ils sont brillants. Cette recherche nous permet donc de minimiser le biais de sélection et d’explorer la séquence des blazars en approfondissant les faibles luminosités des blazars de faible énergie et des blazars à pics de haute énergie ».
Les chercheurs, ainsi qu’Amanpreet Kaur – professeur agrégé d’astronomie et d’astrophysique à Penn State au moment de la recherche – avaient précédemment identifié des blazars potentiels à partir d’un catalogue de sources de rayons gamma détectées par le Fermi Large Area Telescope, dont un grand nombre n’avait pas encore été associé à des émissions de plus faible énergie pouvant provenir de la même source. Pour chacun des blazars, les chercheurs ont ensuite identifié ces émissions homologues dans les rayons X, les UV et l’optique – détectées par l’observatoire Neil Gehrels Swift, dont le centre d’opérations de mission est situé à Penn State – ainsi que dans l’infrarouge et les émissions radio à partir de données d’archives. Le recoupement de ces informations a finalement permis aux chercheurs de caractériser les spectres de 106 nouveaux blazars de faible intensité.
« Les observations du télescope Swift nous ont permis de déterminer la position de ces blazars avec beaucoup plus de précision qu’avec les seules données Fermi », a déclaré Kerby. « Le regroupement de toutes ces données d’émission, combiné à deux nouvelles approches techniques, nous a permis d’identifier l’endroit du spectre électromagnétique où se situe le pic de basse énergie pour chacun des blazars, ce qui, par exemple, peut fournir des informations sur l’intensité du champ magnétique du jet, la vitesse de déplacement des particules chargées et d’autres informations. »
Pour identifier l’endroit où ce pic s’est produit pour les blazars de faible luminosité, les chercheurs ont utilisé des approches d’apprentissage automatique et d’ajustement physique direct, chacune ayant des avantages et des inconvénients, selon Kerby. L’approche d’apprentissage automatique filtre les émissions qui pourraient en fait être du bruit, comme la poussière dans la galaxie ou la lumière d’autres étoiles. L’approche par ajustement physique direct ne filtre pas le bruit et est considérablement plus difficile à utiliser, mais elle fournit des propriétés plus détaillées du jet de blazar.
« Pour les deux approches, les émissions de notre échantillon de blazars peu lumineux culminent généralement dans la lumière bleue, plus énergétique, bien que l’approche d’ajustement produise des valeurs moins extrêmes », a déclaré Kerby. « Ceci est en accord avec la séquence des blazars et élargit ce que nous savons de ce modèle. Cependant, il reste un millier de sources Fermi non associées pour lesquelles nous n’avons pas trouvé de contrepartie en rayons X, et l’on peut supposer sans trop de risque qu’un grand nombre de ces sources sont également des blazars qui sont simplement trop peu lumineux dans les rayons X pour que nous puissions les détecter. Nous pouvons utiliser les leçons que nous avons tirées ici sur la forme des spectres de ces blazars pour faire des prédictions sur les blazars qui sont encore trop peu lumineux pour que nous puissions les détecter, ce qui permettrait de tester davantage la séquence des blazars ».
Le catalogue des nouveaux blazars peut être étudié en détail par d’autres astronomes.
« Il est important de toujours s’efforcer d’élargir nos ensembles de données pour atteindre des sources de plus en plus faibles, car cela rend nos théories plus complètes et moins sujettes à des échecs dus à des biais inattendus », a déclaré Kerby. « Je suis impatient de voir de nouveaux télescopes sonder des blazars encore plus sombres à l’avenir.
Selon les chercheurs, l’étude des trous noirs supermassifs offre également un moyen unique de comprendre les théories physiques de l’univers.
« Les trous noirs supermassifs et leur environnement sont des laboratoires cosmiques bien plus énergétiques que tout ce que nous pouvons produire dans les accélérateurs de particules sur Terre », a déclaré Falcone. « Ils nous permettent d’étudier les théories de la relativité, de mieux comprendre le comportement des particules à haute énergie, d’étudier les sources potentielles de rayons cosmiques qui arrivent sur Terre et d’étudier l’évolution et la formation des trous noirs supermassifs et de leurs jets.
Référence : « Testing the Blazar Sequence with Spectra of Recently Discovered Dim Blazars from the Fermi Unassociated Catalog » par Stephen Kerby et Abraham D. Falcone, 10 juillet 2023, The Astrophysical Journal.
DOI : 10.3847/1538-4357/acd4c0
L’étude a été financée par la NASA.