L’étude des trous noirs est un domaine actif de l’astrophysique moderne. Bien que de nombreuses observations aient permis de mieux comprendre ces objets cosmiques au cours des dernières années, de nombreuses questions à leur sujet demeurent encore sans réponse. C’est notamment le cas du mécanisme de formation des jets de matière relativistes dont la comparaison des observations avec les modèles théoriques nécessite des images astronomiques toujours plus précises. Récemment, une équipe internationale d’astrophysiciens a capturé l’image la plus détaillée jamais obtenue d’un de ces jets.

De manière cyclique, les trous noirs produisent des jets de particules relativistes polaires. Si plusieurs de ces jets ont déjà été observés, les modèles théoriques actuels n’offrent pas d’explication consensuelle quant à leur processus de formation. C’est pourquoi les scientifiques tentent d’observer ces éjections toujours plus près de l’objet qui leur donne naissance. Dans une étude récemment publiée dans la revue Nature, une équipe internationale d’astrophysiciens a capturé l’image la plus précise jamais réalisée du jet d’un trou noir grâce à un télescope virtuel d’un diamètre de 360’000 km (soit 28 fois le diamètre de la Terre).

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Vue d’artiste du satellite spatial russe RadioAstron. Crédits : Lebedev Institute

Pour aboutir à une telle résolution angulaire, les chercheurs ont utilisé un vaste réseau de radiotélescopes terrestres géographiquement éparpillés, combiné au radiotélescope spatial russe de 10 m de diamètre RadioAstron (ou Specktr R). Mis en orbite le 18 juillet 2011, RadioAstron possède une résolution de 7 microsecondes d’arc et a pour objectifs l’étude de divers phénomènes astrophysiques comme les trous noirs, les noyaux actifs de galaxies, les masers, etc. Le télescope spatial se trouve sur une orbite elliptique avec une apogée de 360’000 km, permettant d’effectuer des observations interférométriques sur de longues bases (30 fois plus longues que sur Terre).

Un télescope à la résolution spectaculaire

L’association de ce dernier à divers radiotélescopes terrestres (plus de 20 observatoires) a permis de réaliser une importante synthèse d’ouverture, c’est-à-dire de combiner les données d’observation issues de différentes radiotélescopes afin d’obtenir une image de même résolution angulaire que si celle-ci provenait d’un unique télescope de même taille. La combinaison de tous ces radiotélescopes, baptisée RadioAstron Space VLBI, a donné lieu à un puissant réseau interférométrique basé sur la technique d’interférométrie à très longue base (VLBI) ; l’ensemble a ainsi atteint une incroyable résolution de 30 microsecondes d’arc, soit une résolution mille fois plus élevée que celle du télescope spatial Hubble.

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La combinaison du réseau mondial de radiotélescopes terrestres avec le radiotélescope spatial russe RadioAstron permet d’atteindre une résolution angulaire de 30 microsecondes d’arc, pour un diamètre de 360’000 km. Crédits : Paul Boven

Les astrophysiciens ont tourné leur instrument vers le noyau actif de la galaxie lenticulaire géante NGC 1275, située à environ 240 millions d’années-lumière de la Voie lactée dans la constellation de Persée, afin d’observer le trou noir supermassif de 2 milliards de masses solaires correspondant à la source radio Perseus A (3C 84). La résolution du télescope virtuel géant a permis l’observation de phénomènes situés à des distances très proches du trou noir, comprises entre 102 et 104 rayons gravitationnels (soit 0,033 années-lumière). Ces observations (en date du 21 septembre 2013) se sont notamment concentrées sur la base d’un jet émis par le trou noir.

Des observations en contradiction avec les prédictions théoriques actuelles

Les résultats obtenus ont suscité l’étonnement des scientifiques. En effet, la base du jet s’est révélée étonnamment large avec un angle d’ouverture de 130°, soit l’angle d’ouverture le plus large jamais mesurée pour un jet astrophysique (battant le record de M87 avec 100°). Cet angle correspond à une largeur de 250 rayons gravitationnels à une distance de 350 rayons gravitationnels du trou noir. En outre, le jet est éclairé par son limbe (le limbe correspond au bord d’un objet astrophysique), alors que la grande majorité des jets observés sont éclairés par la crête ; ce phénomène n’a été observé que dans de rares autres radiogalaxies, comme M87 et Cygnus A.

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Image radio de 3C84. En haut, la région brillante indique l’origine radio du jet (Core). En bas, la région brillante indique le jet en élongation (C3). Crédits : G. Giovanni & al/Nature

Les modèles théoriques actuels avancent que les jets issus des trous noirs sont produits par les champs magnétiques extrayant et expulsant l’énergie de la matière du disque d’accrétion ou de la rotation du trou noir lui-même. De récentes théories et simulations ont montré que les jets devaient provenir de l’ergosphère, c’est-à-dire la zone entraînant l’espace-temps autour d’un trou noir en rotation (trou noir de Kerr) à l’origine de l’effet Lense-Thirring. Dans un tel cas, la base des jets serait bien plus étroite. Or, d’après l’étude, au regard de la largeur de la base du jet observé, celle-ci semble plutôt indiquer une origine de formation au niveau du disque d’accrétion du trou noir.

composition jets relativistes telescopes comparaison terre

Composition artistique comparant l’image radio nouvellement obtenue avec les radiotélescopes, avec la Terre. Crédits : Pier Raffaele Platania INAF/IRA/AS/Lebedev Institute

Les données ont également révélé un autre résultat étonnant : le jet du trou noir supermassif possède une structure différente de celui émis par le trou noir de la radiogalaxie M87 en 2012. Les auteurs attribuent cette différence structurale à l’époque de formation des deux jets. Celui de 3c 84, potentiellement encore en cours d’élongation, aurait commencé à se reformer en 2003, soit 10 ans avant son observation (2013). Ce jet relativiste en formation représente donc un sujet d’observation futur capital afin de mieux comprendre les mécanismes d’apparition et d’évolution de ces phénomènes, affirme Masanori Nakamura, astrophysicien co-auteur de l’étude.

Source : Nature

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