L'empreinte de fer des trous noirs express
Un immeuble à plusieurs étages où chaque étage brille d'une teinte différente. C'est à peu près ainsi que l'on peut se représenter la région autour du trou noir supermassif de la galaxie IZw1. Seulement, là-bas, la lumière n'est pas émise par des ampoules, mais par des atomes de fer — FeII. La galaxie IZw1 est depuis longtemps connue des astronomes comme une championne de la luminosité de ces raies, mais jusqu'à présent, on ne parvenait pas à expliquer pourquoi la lueur optique (visible à l'œil) et la lueur infrarouge (thermique) semblaient naître dans des conditions différentes. Ce nouveau travail réunit enfin le tout en une image cohérente.
Les auteurs ont pris les spectres réels d'IZw1 — une sorte d'« arc-en-ciel » de la lumière de la galaxie — et les ont comparés à un modèle informatique. Le modèle a testé des dizaines de variantes : où le gaz est plus dense, où il est plus chaud, quelle est sa teneur en métaux (les astronomes appellent « métaux » tous les éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium). Il s'est avéré que la lueur optique et infrarouge de FeII peut être obtenue simultanément si le gaz a une densité comprise entre $10^{11}$ et $10^{12}$ particules par centimètre cube. C'est des milliards de fois plus ténu que l'air, mais pour les environs d'un trou noir, c'est tout à fait courant. On peut comparer cela à une cuisine : dans une casserole de soupe flottent de rares grains de poivre — c'est à peu près ainsi que les atomes de fer sont répartis dans le nuage.
Le résultat le plus inattendu concerne l'« éclairage ». Dans l'ultraviolet, le noyau de la galaxie émet une raie très brillante — la raie de Lyman-alpha. Ses photons, en atteignant les nuages, font briller les atomes de FeII, comme un réverbère fait scintiller l'asphalte mouillé. Cet effet — la fluorescence — s'est révélé être le principal moteur de la lueur infrarouge. En revanche, dans l'optique, ce sont les collisions qui règnent : les atomes de fer, percutés par des électrons libres, passent dans un état excité et émettent de l'énergie. Autrement dit, le même « immeuble » est éclairé de deux manières différentes : les étages inférieurs par un projecteur, les étages supérieurs par des chocs.
C'est ainsi qu'est née l'idée d'une structure verticale : les nuages autour du trou noir ne sont pas identiques. Ils ont des couches. Le fer infrarouge et l'oxygène OI se trouvent plus haut, dans des régions plus ténues. Le fer optique et le calcium se trouvent plus bas, là où c'est plus dense. Cela ressemble à un ravioli : la garniture est plus profonde, les bords sont plus fins. Auparavant, les astronomes débattaient pour savoir si l'on pouvait utiliser le calcium comme substitut du fer optique (dont les raies sont difficiles à mesurer). Maintenant, c'est clair : on le peut. Le triplet du calcium est un excellent « remplaçant ».
Le travail s'appuie sur trois ensembles de données modernes sur les transitions atomiques de FeII. Le catalogue Smyth et al. (2019) est celui qui correspond le mieux aux observations. C'est important, car sans constantes atomiques précises, la modélisation devient une devinette. Désormais, les astronomes disposent d'un outil fiable pour déterminer, à partir de la lueur du fer, la densité et la composition chimique du gaz dans les galaxies les plus lointaines — même là où un trou noir est en train de s'éveiller.
Ainsi, la lumière des « étages » de fer a révélé la vie en couches du gaz autour du trou noir — et a donné la clé pour percer le mystère des noyaux galactiques lointains.
Les raies FeII dans le spectre d'IZw1 sont si brillantes que cette galaxie est parfois surnommée le « phare de fer ». Sa lumière a permis de calibrer les données atomiques pour des dizaines d'autres études.
Dans le roman « Solaris » de Stanislas Lem, l'océan de la planète émettait de mystérieux spectres. Le FeII d'IZw1 est un « message » du même genre, mais provenant de nuages de gaz qui tourbillonnent autour d'un trou noir.