Tester la théorie des trous noirs supermassifs

University Park, Pennsylvanie – Plus d’une centaine de blazars – des galaxies actives lointaines avec un trou noir supermassif central entraînant de puissants jets – ont été récemment catalogués par des chercheurs de Penn State à partir d’un catalogue d’émissions cosmiques à haute énergie non classées auparavant. Les nouveaux blazars, qui sont faibles par rapport aux blazars plus typiques, ont permis aux chercheurs de tester une théorie controversée de l’émission de blazar, élucidant notre compréhension de la croissance des trous noirs et même des théories de la relativité générale et de la physique des particules à haute énergie.

Un article décrivant les blazars et la théorie a été accepté pour publication dans Journal astrophysiqueEt La version acceptée et évaluée par les pairs apparaît en ligne Sur le serveur prépresse arXiv.

Les trous noirs supermassifs peuvent représenter des millions ou des milliards de fois la masse de notre soleil. Dans certains cas, la matière est propulsée hors de l’horizon des événements du trou noir dans un jet, accélérant presque à la vitesse de la lumière et envoyant des émissions à travers l’univers. Lorsque l’avion est pointé directement vers le sol, le système est généralement appelé Blazar.

« Parce que le jet Blazar est pointé directement sur nous, nous pouvons le voir à une distance beaucoup plus grande que les autres systèmes de trous noirs, de la même manière qu’une lampe de poche apparaît lorsque vous le regardez directement », a déclaré Stephen Kirby, un étudiant diplômé. en astronomie et astrophysique à Penn State et premier auteur de l’article. « Les blazars sont passionnants à étudier car leurs propriétés nous permettent de répondre à des questions sur les trous noirs supermassifs dans tout l’univers. Dans cette étude, nous avons utilisé des méthodes relativement nouvelles pour décrire 106 blazars sombres et testé les prédictions d’une théorie controversée appelée « séquences de blazars ».

Les blazars émettent de la lumière sur tout le spectre électromagnétique, des longueurs d’onde à faible énergie telles que la radio, l’infrarouge et la lumière visible, aux longueurs d’onde à plus haute énergie telles que les rayons X et les rayons gamma. Lorsque les astronomes étudient les observations de ces émissions, ils voient généralement deux larges pics, l’un dans les rayons gamma et l’autre dans les longueurs d’onde à faible énergie. Les longueurs d’onde et les intensités de ces pics varient d’un blazar à l’autre et dans le temps. Une théorie complète des blazars déterminée par la « séquence des blazars » prédit que le pic de basse énergie des blazars plus brillants sera, en moyenne, plus rouge – plus faible énergie – que celui des blazars plus sombres, tandis que le pic de basse énergie des blazars sombres sera bleu – énergie plus élevée .

a déclaré Abi Falcon, professeur de recherche en astronomie et astrophysique et chef d’équipe du groupe d’astrophysique des hautes énergies à Penn State. « Avec les télescopes actuellement en fonctionnement, il est en fait très difficile de détecter et de classer les blazars de basse énergie avec des pics – rouges – qui sont également faibles, alors qu’il est beaucoup plus facile de trouver ces blazars lorsque leurs pics sont à des énergies plus élevées ou lorsque ils sont brillants. Par conséquent, avec cette recherche, nous réduisons le biais de sélection et explorons les cascades de blazars en approfondissant la faible luminosité des blazars à faible énergie et à haute énergie.

Les chercheurs, ainsi qu’Amanpreet Kaur – professeur agrégé de recherche en astronomie et astrophysique à Penn State au moment de la recherche – ont identifié des blazars potentiels à partir du catalogue de sources de rayons gamma détectées par le télescope Fermi Large Area, dont beaucoup n’ont pas encore être détecté. . Ils sont associés à des émissions d’énergie plus faibles qui peuvent être causées par la même source. Pour chacun des blazars, les chercheurs ont ensuite localisé ces émissions d’isotopes dans les rayons X, les ultraviolets et la lumière optique – détectés par l’observatoire Neil Gehrels Swift, dont le centre des opérations de la mission est en Pennsylvanie – et dans les émissions infrarouges et radio à partir de données d’archives. . Le croisement des informations a finalement permis aux chercheurs de caractériser les spectres de 106 nouveaux dim blazars.

« Les observations de Swift nous ont permis de localiser les emplacements de ces blazars avec une précision beaucoup plus grande que les données de Fermi seules », a déclaré Kirby. « La collecte de toutes ces données d’émission, ainsi que deux nouvelles approches techniques, nous ont aidés à identifier où se produit le pic de basse énergie dans le spectre électromagnétique pour chacun des blazars, ce qui, par exemple, peut fournir des informations sur la force du magnétisme de l’avion. et à quelle vitesse les particules chargées se déplacent. » et d’autres informations. »

Pour déterminer où ce pic d’arbres s’évanouissant s’est produit, les chercheurs ont utilisé des méthodes d’apprentissage automatique et de synthèse physique directe, chacune ayant, selon Kirby, des avantages et des inconvénients. L’approche d’apprentissage automatique filtre les émissions qui pourraient en fait être du bruit, comme la poussière dans une galaxie ou la lumière d’autres étoiles. La méthode de composition physique directe ne filtre pas le bruit et est plus difficile à utiliser mais fournit des caractéristiques plus détaillées de l’avion Blazar.

« Pour les deux méthodes, les émissions de notre échantillon provenant de blazars faibles culminent généralement dans la lumière bleue à plus haute énergie, bien que la méthode d’ajustement donne des valeurs moins extrêmes », a déclaré Kirby. Ceci est cohérent avec la séquence blazar et étend ce que nous savons de ce schéma.Cependant, il existe encore un millier de sources non-Fermi pour lesquelles nous n’avons pas trouvé d’homologue aux rayons X, et il est assez sûr que beaucoup de ces sources Les sources sont également des blazars très faibles dans « Les rayons X sont trop faibles pour que nous puissions les détecter. Nous pouvons utiliser les leçons que nous avons apprises ici sur la forme des spectres de blazars pour faire des prédictions sur les blazars qui sont encore trop faibles pour que nous puissions les détecter, et cela testerait davantage les séquences blazar. »

Le catalogue des nouveaux blazars est disponible pour que d’autres astronomes l’étudient en détail.

« Il est toujours important de travailler à l’expansion de nos ensembles de données pour atteindre des sources ternes et sombres, car cela rend nos théories plus complètes et moins sujettes à l’échec en raison de biais inattendus », a déclaré Kirby. « Je suis enthousiasmé par les nouveaux télescopes pour explorer même le faisceau laser le plus faible à l’avenir. »

Selon les chercheurs, l’étude des trous noirs supermassifs fournit 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 Falcon. « Ils nous offrent des opportunités d’étudier les théories de la relativité, de mieux comprendre le comportement des particules à haute énergie, d’étudier les sources possibles de rayons cosmiques qui arrivent ici sur Terre, et d’étudier l’évolution et la formation des trous noirs supermassifs et de leurs jets. « 

La recherche a été soutenue par la NASA.

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