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La mesure de la masse d'un trou noir lointain démontre le poten2el de GRAVITY+

29 janvier 2024

Pour la première fois, des astronomes ont mesuré directement la masse d’un trou noir lointain, si lointain qu’il a fallu 11 milliards d’années pour que la lumière provenant de son environnement nous parvienne. L’équipe, dirigée par Taro Shimizu de l’Institut Max Planck de Physique Extraterrestre en Allemagne, a découvert que le trou noir, appelé J0920, a une masse environ 320 millions de fois supérieure à celle du Soleil. CeQe réussite, décrite dans un article publié aujourd’hui dans la revue Nature, a été rendue possible grâce à GRAVITY+, une série de mises à jour du Very Large Telescope Interferometer (VLTI) de l’ESO et de son instrument GRAVITY, qui permet d’obtenir des images jusqu’à 40 fois plus nettes que celles obtenues avec le télescope spatial James Webb.

Pour mesurer directement la masse d’un trou noir, les astronomes utilisent des télescopes pour suivre le mouvement du gaz et des étoiles qui l’entourent. Plus ces mouvements se déplacent rapidement, plus la masse enfermée dans l’orbite de la matière est importante. Cette technique a été utilisée pour mesurer la masse des trous noirs proches, dont celui qui se trouve au centre de la Voie lactée. Toutefois, à des distances très éloignées, ce mouvement est extrêmement diﬃcile à observer. Cela signiﬁe que jusqu’à présent, il n’avait pas été possible d’eﬀectuer des mesures directes similaires de la masse des trous noirs lointains, qui nous permettent une nouvelle perspective sur une période de l’histoire de l’Univers au cours de laquelle les galaxies et les trous noirs se développaient rapidement.

La mesure directe de la masse de J0920 n’a été possible qu’avec la première série d’améliorations de GRAVITY+. Ces améliorations ont permis aux astronomes d’observer avec plus de précision que jamais le gaz lointain et peu lumineux qui entoure le trou noir, en utilisant une technique appelée suivi des franges hors axe à grand champ. La mesure précise de la masse de J0920 est une première étape pour aider les astronomes à comprendre comment les trous noirs et les galaxies se sont développés ensemble à une époque où l’Univers n’avait que quelques milliards d’années et où les galaxies étaient encore en formation. Dans le cas de J0920, la nouvelle mesure de masse révèle que le trou noir est environ quatre fois moins massif que prévu compte tenu de la masse de sa galaxie hôte, ce qui indique un retard dans la croissance du trou noir par rapport à la galaxie qui l’entoure.

GRAVITY+ utilise l’interférométrie pour combiner la lumière qui arrive aux quatre télescopes (UT) de 8 mètres qui font partie du VLTI. Une fois achevé, il sera doté d’une technologie d’optique adaptative améliorée qui permettra de mieux corriger le ﬂou causé par l’atmosphère terrestre et d’améliorer le contraste des observations. GRAVITY+ mettra également en place une nouvelle étoile guide laser sur chacune des UT1-3, et utilisera l’un des lasers actuellement installés sur l’UT4, aﬁn d’observer des objets moins lumineux et plus éloignés que ce qui est actuellement possible.

Les mises à jour de GRAVITY+ sont eﬀectuées de manière progressive, aﬁn de limiter les perturbations des opérations scientiﬁques du VLTI. Cela permet également aux astronomes de tester en continu les performances de GRAVITY+ au fur et à mesure qu’il devient opérationnel. L’ensemble des mises à jour devrait être achevé en 2025. Les nouvelles fonctionnalités proﬁteront à tous les instruments du VLTI actuels et futurs, ainsi qu’aux scientiﬁques qui les utilisent.

Plus d’informations

Cette recherche a été présentée dans un article à paraître dans Nature intitulé "A dynamical measurement of the supermassive black hole mass in a quasar 11 billion years ago" (Une mesure dynamique de la masse d’un trou noir supermassif dans un quasar il y a 11 milliards d’années).

L'équipe est composée de R. Abuter (European Southern Observatory, Garching, Germany [ESO]), F. Allouche (Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, Laboratoire Lagrange, France [Lagrange]), A. Amorim (Universidade de Lisboa - Faculdade de Ciências, Portugal and Centro de Astrofísica e Gravitação, IST, Universidade de Lisboa, Portugal [CENTRA]), C. Bailet (Lagrange), A. Berdeu (Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université de Paris, France [LESIA]), J. P. Berger (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, France [UGA]), P. Berio (Lagrange), A. Bigioli (Institute of Astronomy, KU Leuven, Belgium [KU Leuven]), O. Boebion (Lagrange), M.-L. Bolzer (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Germany [MPE], Department of Physics, Technical University Munich, Germany [TUM] and Univ. Lyon, ENS de Lyon, CNRS, Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, France [CRAL]), H. Bonnet (ESO), G. Bourdarot (MPE), P. Bourget (European Southern Observatory, Chile [ESO Chile]), W. Brandner (Max Planck Institute for Astronomy, Germany [MPIA]), Y. Cao (MPE), R. Conzelman (ESO), M. Comin (ESO), Y. Clénet (LESIA), B. Courtney-Barrer (ESO Chile and Research School of Astronomy and Astrophysics, College of Science, Australian National University, Australia [ANU]), R. Davies (MPE), D. Defrère (KU Leuven), A. Delboulbé (UGA), F. Delplancke-Ströbele (ESO), R. Dembet (LESIA), J. Dexter (Department of Astrophysical & Planetary Sciences, JILA, University of Colorado, USA), P. T. de Zeeuw (Leiden University, The Netherlands), A. Drescher (MPE), A. Eckart (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Germany [MPIfR] and 1st Institute of Physics, University of Cologne, Germany [Cologne]), C. Édouard (LESIA), F. Eisenhauer (MPE), M. Fabricius (MPE), H. Feuchtgruber (MPE), G. Finger (MPE), N. M. Förster Schreiber (MPE), P. Garcia (Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Portugal [FEUP] and CENTRA), R. Garcia Lopez (School of Physics, University College Dublin, Ireland), F. Gao (MPIfR), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE and Departments of Physics and Astronomy, University of California, USA), J.P. Gil (ESO Chile), S. Gillessen (MPE), T. Gomes (CENTRA and FEUP), F. Gonté (ESO), C. Gouvret (Lagrange), P. Guajardo (ESO Chile), S. Guieu (IPAG), W. Hackenberg (ESO), N. Haddad (ESO Chile), M. Hartl (MPE), X. Haubois (ESO Chile), F. Haußmann (MPE), G. Heißel (LESIA and Advanced Concepts Team, European Space Agency, TEC-SF, ESTEC, The Netherlands), T. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), S.F. Hönig (School of Physics & Astronomy, University of Southampton, UK [Southampton]), M. Horrobin (Cologne), N. Hubin (ESO), E. Jacqmart (Lagrange), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO Chile), P. Kervella (LESIA), J. Kolb (ESO), H. Korhonen (ESO Chile), S. Lacour (ESO and LESIA), S. Lagarde (Lagrange), O. Lai (Lagrange), V. Lapeyrère (LESIA), R. Laugier (KU Leuven), J.-B. Le Bouquin (IPAG), J. Leftley (Lagrange), P. Léna (LESIA), S. Lewis (ESO), D. Liu (MPE), B. Lopez (Lagrange), D. Lutz (MPE), Y. Magnard (IPAG), F. Mang (MPE and TUM), A. Marcotto (Lagrange), D. Maurel (IPAG), A. Mérand (ESO), F. Millour (Lagrange), N. More (MPE), H. Netzer (School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University, Israel [TAU]), H. Nowacki (IPAG), M. Nowak (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK), S. Oberti (ESO), T. Ott (MPE), L. Pallanca (ESO Chile), T. Paumard (LESIA), K. Perraut (IPAG), G. Perrin (LESIA), R. Petrov (Lagrange), O. Pfuhl (ESO), N. Pourré (IPAG), S. Rabien (MPE), C. Rau (MPE), M. Riquelme (ESO), S. Robbe-Dubois (Lagrange), S. Rochat (IPAG), M. Salman (KU Leuven), J. Sanchez-Bermudez (Instituto de Astronomía, Universidad Nacional Autónoma de México, Mexico and MPIA), D.J.D. Santos (MPE), S. Scheithauer (MPIA), M. Schöller (ESO), J. Schubert (MPE), N. Schuhler (ESO Chile), J. Shangguan (MPE), P. Shchekaturov (ESO), T.T. Shimizu (MPE), A. Sevin (LESIA), F. Soulez (CRAL), A. Spang (Lagrange), E. Stadler (IPAG), A. Sternberg (TAU and Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, USA), C. Straubmeier (Cologne), E. Sturm (MPE), C. Sykes (Southampton), L.J. Tacconi (MPE), K.R.W. Tristram (ESO Chile), F. Vincent (LESIA), S. von Fellenberg (MPIfR), S. Uysal (MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO), and G. Zins (ESO).

Les améliorations GRAVITY+ sont conçues et construites par les instituts suivants en collaboration avec l’ESO :

Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics; Max Planck Institute for Astronomy; the University of Cologne (Allemagne)
Les laboratoires suivants : Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble; Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique; Laboratoire Lagrange ; Centre de Recherche Astrophysique de Lyon - de l'Institut National des Sciences de l'Univers du Centre National de la Recherche Scientifique (France);
Instituto Superior Técnico’s Centre for Astrophysics and Gravitation; University of Lisbon; University of Porto (Portugal)
University of Southampton (Rpyaume Uni)
Katholieke Universiteit Leuven (Belgique)