M87* est un trou noir supermassif situé dans la galaxie supergéante Messier 87, à 55 millions d’années-lumière. C’est le premier trou noir à avoir été imagé, en avril 2019, par interférométrie à très longue base. Aujourd’hui, les scientifiques de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) livrent une nouvelle image étonnante de ce trou noir, révélant les puissants champs magnétiques qui existent tout autour.
En observant pour la première fois l’anneau lumineux qui entoure ce trou noir supermassif en lumière polarisée, les chercheurs ont découvert une forte polarisation : les ondes lumineuses apparaissaient torsadées, traduisant la présence d’intenses champs magnétiques. « La polarisation de la lumière est porteuse d’informations qui nous permettent de mieux comprendre les processus physiques à l’œuvre derrière l’image que nous avons capturée en avril 2019, ce qui n’était pas possible auparavant », se réjouit l’astronome Iván Martí-Vidal, de l’Université de Valence.
Cette nouvelle image est le fruit de plusieurs années de travail ; l’équipe a dû mettre en œuvre des techniques complexes pour analyser les données collectées en 2017. Mais le résultat, époustouflant, en valait la peine : cette image permet notamment de mieux comprendre la façon dont le champ magnétique environnant contribue à l’émission de puissants jets de plasma.
Une vue affinée grâce à la polarisation
La polarisation est une propriété commune aux ondes électromagnétiques, telles que les ondes lumineuses. Lorsqu’une particule de lumière traverse l’espace, ses oscillations sont orientées dans une certaine direction. Si cette particule rencontre de la poussière du milieu interstellaire, elle se disperse ; elle peut également être mise en rotation en traversant un champ magnétique. Dans ces deux cas, son orientation peut changer : c’est ce que l’on appelle la polarisation.
C’est une propriété largement exploitée aujourd’hui dans le domaine de l’optique (lunettes de soleil polarisées, film polarisant pour écrans, etc.). Quand ce phénomène de polarisation provient d’objets cosmiques, il peut aussi apporter beaucoup d’informations sur leur environnement. En effet, de la même manière que les lunettes polarisées améliorent notre vision en réduisant les reflets et l’éblouissement générés par des surfaces brillantes, les astronomes peuvent affiner leur vision d’une région située en périphérie d’un trou noir en examinant la polarisation de la lumière qui en est issue. En particulier, la polarisation permet aux astronomes de cartographier les lignes de champ magnétique bordant le pourtour du trou noir.
L’image en lumière polarisée de M87* montre une immense spirale de gaz tourbillonnant à l’extérieur de l’horizon des événements du trou noir. Or, cet effet de polarisation de la lumière ne pouvait s’expliquer que par la présence d’un champ magnétique très puissant. « Les observations suggèrent que les champs magnétiques au bord du trou noir sont suffisamment puissants pour repousser le gaz chaud et l’aider à résister à l’attraction de la gravité », confirme l’astronome Jason Dexter de l’Université du Colorado.
Cette observation pourrait notamment aider à mieux comprendre un phénomène qui intrigue les scientifiques depuis longtemps : les jets relativistes de trous noirs. Il est certain que rien ne peut échapper à un trou noir une fois que le seuil de proximité critique a été dépassé (l’horizon des événements) ; cependant, tout le matériau du disque d’accrétion tourbillonnant autour d’un trou noir actif ne finit pas inévitablement par être englouti. Ainsi, une petite fraction de cette matière est en quelque sorte canalisée de la région interne du disque d’accrétion vers les pôles, où elle est projetée dans l’espace sous la forme de jets de plasma ionisé.
De nouveaux indices sur l’origine des jets de plasma
Ces gigantesques et très puissants jets de plasma, de plusieurs milliers — voire centaines de milliers — d’années-lumière, sont émis à une vitesse avoisinant celle de la lumière. Leur formation et leur composition sont cependant toujours sujettes à débat. Les astronomes ne comprennent pas encore totalement la façon dont ces immenses jets sont expulsés par les régions centrales, ni la manière dont la matière tombe dans le trou noir.
Les astronomes pensent que le champ magnétique autour du trou noir joue un rôle majeur dans ce processus. Les lignes de champ magnétique, selon cette théorie, agiraient comme un synchrotron, accélérant la matière avant de l’éjecter à très grande vitesse. De précédentes observations, réalisées avec le télescope spatial à rayons X Chandra, ont établi que M87* est capable d’émettre des jets relativistes à 99% de la vitesse de la lumière !
Cette nouvelle image en lumière polarisée a permis de sonder pour la première fois la région située au plus proche de la périphérie de M87*, une région où interagissent la matière entrante et la matière éjectée. Pour Monika Mościbrodzka, coordinatrice du groupe de travail sur la polarimétrie de l’EHT, ces observations sont essentielles pour comprendre comment les champs magnétiques se comportent autour des trous noirs et comment l’activité dans cette région très compacte de l’espace peut entraîner de puissants jets qui s’étendent bien au-delà de la galaxie.
Selon les chercheurs, la structure du champ magnétique observé peut expliquer à la fois les caractéristiques de l’anneau lumineux de M87*, ainsi que les puissants jets relativistes qu’il émet dans l’espace. C’est l’une des meilleures preuves à ce jour soutenant le modèle synchrotron à champ magnétique de la formation relativiste des jets. « Nous nous attendons à ce que les futures observations de l’EHT révèlent avec une précision accrue la structure du champ magnétique autour du trou noir et les processus physiques qui gouvernent le gaz chaud présent dans cette région », conclut Jongho Park, membre de la collaboration EHT.
Un trou noir
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