Une comparaison de deux modèles théoriques, le modèle de nuage et le modèle de vent de disque. Crédit : Steven Burrows/Jason Dexter
Les chercheurs ont analysé les données d’émission du quasar 3C 273 à l’aide de deux modèles théoriques, révélant la complexité de la compréhension du comportement des quasars et de la mécanique des trous noirs supermassifs.
Dans un nouvel article en Le Journal d’astrophysiqueJason Dexter, boursier de la JILA, l’étudiant diplômé Kirk Long et d’autres collaborateurs ont comparé deux principaux modèles théoriques de données d’émission pour un quasar spécifique, 3C 273. Grâce à ces modèles théoriques, les astrophysiciens comme Dexter peuvent mieux comprendre comment ces quasars se forment et évoluent au fil du temps.
On pense que les quasars, ou noyaux galactiques actifs (AGN), sont alimentés par des trous noirs supermassifs en leur centre. Parmi les objets les plus brillants de l’univers, les quasars émettent une brillante gamme de lumière sur tout le spectre électromagnétique. Cette émission véhicule des informations vitales sur la nature du trou noir et les régions environnantes, fournissant des indices que les astrophysiciens peuvent exploiter pour mieux comprendre la dynamique du trou noir.
Une histoire de deux modèles
L’émission de lumière d’un quasar donne aux astrophysiciens de nombreux aperçus de la mécanique du trou noir supermassif. Pour Dexter et Long, les données d’émission du quasar 3C 273 provenaient de GRAVITY, un instrument du VLT chilien (Très grand télescope). « Plus précisément, nous avons utilisé la lumière proche infrarouge (trop rouge pour que vos yeux puissent le voir mais suffisamment proche du spectre visible pour qu’un miroir de télescope « normal » le reflète) pour observer le quasar 3C 273 dans ce travail, car la raie d’émission que nous avons se soucient des émissions dans ce régime de longueur d’onde », a expliqué Long.
D’après des découvertes précédentes, Long et Dexter s’attendaient à ce que les données d’émission GRAVITY révèlent un pic pour le quasar 3C 273. Bien que ce pic unique soit une caractéristique des spectres d’émission des quasars, le mécanisme qui le produit est encore sujet à débat, car certaines personnes pensent que cela vient de l’émission tombant dans le trou noir et tourbillonnant dans le tourbillon galactique.
Modèles théoriques et dynamique des trous noirs
« Mais jusqu’où s’étend cette géométrie ? » demanda Long. « Si vous réfléchissez à cette zone d’où proviennent ces raies d’émission – que nous appelons la région des lignes larges – si vous imaginez qu’en tant que disque en rotation émettant de manière isotrope, où chaque partie du disque brille à la même température, vous on s’attendrait à voir deux pics d’émissions.
En effet, un pic est décalé vers le rouge vers l’observateur et un autre vers le bleu par rapport à l’observateur en raison de l’effet Doppler.
Cependant, comme le montrent les données du quasar 3C 273 (et de nombreux autres quasars), il n’y a pas deux pics mais un seul. Cela signifie que l’émission du quasar ne suit pas le modèle le plus simple et que quelque chose de plus compliqué se produit. Les astrophysiciens appliquent divers modèles à leurs données pour examiner les mécanismes à l’origine de ce pic d’émission.
Analyse du modèle cloud et disque-vent
Pour mieux comprendre les variations des données, Dexter et Long ont examiné les deux principaux modèles théoriques proposés comme mécanismes sous-jacents possibles : les modèles cloud et disque-vent. Pour Dexter, comparer ces deux modèles pourrait offrir davantage d’informations sur le processus de modélisation lui-même.
« L’un des points importants à retenir est que vous pouvez réellement mesurer l’incertitude sur la masse du trou noir pour quantifier à quel point vous vous trompez si vous avez le mauvais modèle », a-t-il ajouté. « Dans ce cas particulier, nous pouvons également vérifier la cohérence car nous savons comment nous regardons ce trou noir à partir d’autres données. L’opinion selon laquelle (un) modèle particulier (peut choisir peut) ne correspond pas aux autres données. On peut donc dire que c’est probablement une solution défavorisée. Il est important pour les travaux futurs de garder à l’esprit que le modèle que vous choisissez a un impact sur les mesures que vous obtenez. Nous ne saurons donc pas comment nous envisageons ces systèmes en général, ce qui signifie qu’il est important d’essayer de déterminer lequel de ces modèles tient la route dans le plus grand nombre de cas.
Plonger dans la mécanique des émissions des quasars
Le modèle de nuages propose que les raies d’émission observées dans les spectres des quasars proviennent de nuages de gaz ionisé proches du trou noir central. Longtemps élaboré : « Il y a essentiellement un groupe de nuages qui tournent de manière chaotique autour du trou noir. Ces nuages forment le pic unique parce que vous avez rempli une géométrie de type sphérique plutôt qu’un simple disque, comme une étoile. Ainsi, vous pouvez obtenir un pic car la majeure partie du gaz émis ne se déplace pas vers vous ou ne s’éloigne pas de vous. Les nuages sont sur des orbites inclinées étranges mais toujours sur des orbites stables afin que vous puissiez peser le trou noir.
Bien que le modèle de cloud s’adapte à plusieurs ensembles de données de quasars, les mécanismes ne semblent pas s’additionner. « Il y a ce mystère que vous supposez que les nuages devraient tomber et tourbillonner dans ce disque », a déclaré Dexter. « Mais si ce processus produit des transitions de gaz atomiques, il devrait produire ces deux pics où vous voyez des lignes. Mais ce n’est pas ce que nous voyons ; c’est toujours le seul sommet. Pour expliquer cette différence, plusieurs astrophysiciens émettent l’hypothèse que les gaz atomiques auraient gonflé, provoquant une modification des spectres d’émission.
Pour remédier à la disparité entre le premier et les deux pics d’émission, d’autres astrophysiciens ont proposé un modèle différent appelé modèle disque-vent. Ce modèle suggère que les émissions de quasars observées « proviennent des empreintes des vents intégrées dans le disque », a expliqué Long. « Dans ce modèle, vous pouvez toujours avoir un disque mince jusqu’à la zone large, mais maintenant votre hypothèse supplémentaire est que vous ajouterez des cisailles au disque. Dans notre étude, nous avons ajouté quelques cisailles différentes parce que nous voyons des preuves d’observation des flux sortants et entrants, où les gaz sont soufflés ou soufflés depuis cette région.
Comparaison de modèles et de données
À l’aide du système de calcul intensif de l’Université du Colorado à Boulder, Dexter et Long ont appliqué le modèle disque-vent à l’ensemble de données du quasar 3C 273 pour voir dans quelle mesure il s’adaptait. À partir de leurs calculs, Dexter et Long ont découvert que le modèle disque-vent modifierait effectivement la quantité calculée pour la masse du trou noir d’un facteur 5.
Mais le modèle disque-vent comportait plus d’incertitudes que le modèle nuage, que Dexter avait précédemment analysé. « Je pense que, même si nous avons désapprouvé le modèle disque-vent sur la base de nos résultats, la seule raison pour laquelle nous pouvons le défavoriser pour le quasar 3C 273 n’est pas qu’il corresponde bien moins aux données – il correspond en fait aux données aussi bien que les données. modèle de cloud, c’est qu’il vous oblige à regarder le disque d’une manière différente de la façon dont vous regarderiez les nuages », a expliqué Long.
En adaptant le modèle disque-vent aux données, Long et Dexter ont dû réorienter leur vision de 3C 273 et le regarder de côté. « Cela nous indique que peut-être cette version de notre modèle proposé est fausse », a ajouté Long. « Mais il y a peut-être d’autres choses que nous pourrions ajouter au modèle disque-vent qui pourraient mieux l’aligner sur le jet, donc nous ne l’excluons pas complètement. »
Grâce à leurs résultats, Dexter et Long peuvent mieux comprendre comment ces incertitudes peuvent affecter le processus plus large de « pesée » des trous noirs supermassifs, qui peut être exploité par d’autres astrophysiciens lorsqu’ils étudient plus en détail la dynamique des quasars.
