Des astronomes éclaircissent le mystère entourant les jets de plasma des trous noirs

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Les deux « phases » d’un trou noir. | M. Méndez et al.
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Les trous noirs en accrétion émettent des jets de plasma le long de leur axe de rotation, qui s’étendent à des vitesses proches de celle de la lumière. Les scientifiques pensent que les disques d’accrétion génèrent des champs magnétiques qui concentrent les jets le long de cet axe central. Pour autant, les mécanismes exacts qui accélèrent la matière dans ces jets demeurent inexpliqués. Après avoir observé un trou noir pendant plus d’une décennie, une équipe internationale d’astronomes a enfin récolté les données permettant d’élucider en partie ce mystère.

Tout comme les oreillettes du cœur humain réceptionnent le sang avant de se vider dans les ventricules, il s’avère qu’un trou noir commence par recueillir de la matière et la chauffer dans ce que l’on appelle une couronne, pour ensuite la rejeter sous forme de jets supraluminiques. C’est la conclusion d’une nouvelle étude dirigée par Mariano Méndez, astrophysicien au Kapteyn Astronomical Institute de l’Université de Groningen (Pays-Bas). En observant de près le trou noir GRS 1915+105 sur une période de 15 ans, l’équipe s’est aperçue que la progression du flux de matière s’effectuait en deux phases distinctes.

Alors qu’un débat de longue date visait à déterminer si la couronne d’un trou noir et les jets relativistes étaient l’expression d’un seul et même phénomène, les astronomes ont désormais la preuve qu’ils apparaissent l’un après l’autre. « C’était un véritable défi de démontrer cette nature séquentielle. Nous avons dû comparer des données datant de plusieurs années avec celles de quelques secondes, et des énergies très élevées avec des énergies très faibles », explique Méndez dans un communiqué.

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Une couronne surchauffée qui évacue la matière sous forme de jet

Le trou noir GRS 1915+105 n’est pas un trou noir isolé, mais appartient à un système binaire, composé également d’une étoile normale, dont il absorbe de la matière — ce que l’on appelle un microquasar. Ce système se trouve dans notre Voie lactée, à environ 36 000 années-lumière de la Terre, dans la constellation de l’Aigle. Le trou noir affiche une masse équivalente à environ douze masses solaires, ce qui en fait l’un des trous noirs stellaires les plus massifs de notre galaxie. Découvert en 1994, GRS 1915+105 fut le premier objet galactique présentant des jets supraluminiques.

Les chercheurs ont observé ce trou noir pendant 15 ans, à l’aide de plusieurs télescopes. Ils ont notamment pointé le Rossi X-ray Timing Explorer — un télescope spatial de la NASA — vers GRS 1915+105 tous les trois jours, afin de recueillir le rayonnement X à haute énergie de sa couronne. Ces données ont été combinées avec celles du télescope Ryle, un réseau de radiotélescopes situés à environ 90 kilomètres au nord de Londres, qui recueillent presque chaque jour le rayonnement radio de faible énergie provenant du jet du trou noir.

suivi rayons X émissions radio
Extrait du « battement de cœur » d’un trou noir. L’axe horizontal indique les jours. La courbe verte représente les émissions radio du jet. Les points rouges et bleus représentent le rayonnement X et sont une mesure de la taille de la couronne. On constate que la couronne est la plus petite lorsque les jets sont les plus intenses. © Méndez et al.

Le suivi simultané du rayonnement X et des ondes radio a mis en évidence une nette corrélation entre les deux. Dès lors que la couronne de matière du trou noir se fait plus petite (ce qui se traduit par un rayonnement X plus faible), le jet de plasma se fait beaucoup plus intense dans les ondes radio et vice versa, suggérant que la couronne « se vide » régulièrement en évacuant la matière accumulée sous forme de jet.

« Nos résultats montrent que l’énergie qui alimente ce système peut être dirigée dans différentes proportions, soit principalement vers la couronne de rayons X, soit vers le jet », écrivent les chercheurs dans Nature Astronomy. Ces observations, ainsi que les modèles des fluctuations de la lumière du système, suggèrent que dans GRS 1915+105 la couronne de rayons X se transforme en jet. L’animation proposée par l’École néerlandaise de recherche en astronomie (NOVA) illustre très bien le phénomène :

 

Un rythme similaire à celui des battements cardiaques

De par la proximité de l’étoile voisine, GRS 1915+105 « se nourrit » de sa matière, qui forme un disque toute autour du trou noir, juste à l’extérieur de l’horizon des événements. La couronne est constituée d’électrons chauffés à très haute température, qui sont accélérés comme dans un synchrotron ; elle émet ainsi de puissants rayons X. La façon dont le trou noir concentre ensuite cette matière sous forme de jet affiche un rythme aussi régulier que les battements cardiaques.

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Si Méndez et ses collaborateurs ont mis en évidence ce mécanisme séquentiel, certaines questions restent toujours sans réponse. Par exemple, l’équipe a remarqué que le rayonnement X de la couronne observé par les télescopes est plus énergétique que ce que la température de la couronne peut expliquer à elle seule, suggérant la présence d’une autre source d’énergie.

Les chercheurs soupçonnent qu’un champ magnétique est à l’origine de ce surplus d’énergie. Ce champ magnétique pourrait également expliquer la formation des jets : si le champ magnétique est chaotique, la couronne s’échauffe ; s’il devient moins chaotique, de la matière peut s’échapper via les lignes de champ et se transformer en jet.

Les chercheurs suggèrent que le principe qu’ils ont démontré ici pourrait s’appliquer à des trous noirs plus massifs, y compris à celui situé au centre de notre galaxie. « La même canalisation d’énergie vers le jet et la couronne devrait se produire dans les trous noirs supermassifs, et devrait donc s’appliquer à toute la gamme de masses des trous noirs », concluent-ils.

Source : M. Méndez et al., Nature Astronomy

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