Une nouvelle image stupéfiante d’un trou noir supermassif pourrait aider les scientifiques à résoudre le mystère de la façon dont ces mastodontes affamés projettent des jets de particules accélérées dans le cosmos. Prise en 2018 par un réseau de radiotélescopes du monde entier, l’image est centrée sur Messier 87 – une galaxie située à quelque 55 millions d’années-lumière de notre Voie lactée.
Messier 87 a également fait l’objet de la toute première photographie publiée d’un trou noir en 2019. La nouvelle image révèle toutefois de nouveaux détails qui n’étaient pas visibles sur la précédente, notamment un anneau beaucoup plus large autour du trou et, pour la première fois, le lien entre cet anneau et l’un des jets de particules qui s’éloignent du trou noir dans un bruit de tonnerre.
Que sont les trous noirs ?
Les trous noirs sont des régions où le tissu de l’espace-temps est tellement déformé par une masse concentrée que, au-delà de leur « horizon des événements », rien – pas même la lumière – ne peut échapper à leur gravité.
En règle générale, les trous noirs pèsent entre 5 et 10 fois la masse de notre soleil, car ils sont limités par la taille de l’étoile qui s’est effondrée pour les former.
Cependant, les astronomes ont également découvert que la plupart des galaxies contiennent des trous noirs « supermassifs » en leur centre même – des concentrations stupéfiantes de matière qui peuvent contenir des millions, voire des milliards de fois la masse du Soleil.
Selon la NASA, « un mécanisme possible de formation des trous noirs supermassifs implique une réaction en chaîne de collisions d’étoiles dans des amas stellaires compacts. [This] Cette réaction en chaîne entraîne la formation d’étoiles extrêmement massives, qui s’effondrent ensuite pour former des trous noirs de masse intermédiaire.
« Les amas d’étoiles coulent ensuite vers le centre de la galaxie, où les trous noirs de masse intermédiaire fusionnent pour former un trou noir supermassif. »
Si les trous noirs sont réputés pour engloutir la matière de leur environnement immédiat, ils sont également capables, de manière contre-intuitive, d’être à l’origine d’émissions.
Par exemple, le physicien britannique Stephen Hawking a soutenu qu’un phénomène étrange pourrait permettre aux trous noirs d' »évaporer » lentement la masse au fil du temps.
Cette émission a été baptisée « rayonnement Hawking », en son honneur. Voir l’encadré à droite pour une explication rapide de ce phénomène.
De manière moins subtile, les trous noirs supermassifs sont également capables d’alimenter des phénomènes connus sous le nom de quasars.
Il s’agit de noyaux actifs de galaxies extrêmement lumineux qui brûlent autant que le feraient un trillion d’étoiles entassées dans un volume de la taille du système solaire.
En fait, une étude récente de 48 quasars et des galaxies qui les entourent a conclu que ces spectacles lumineux sont allumés par des « accrochages » galactiques.
Les interactions entre les galaxies poussent vers leurs trous noirs supermassifs centraux du gaz qui, autrement, orbiterait à une distance « sûre » des noyaux affamés.
Au fur et à mesure que le gaz se rapproche de l’horizon des événements, il s’échauffe sous l’effet de la friction et émet des rayonnements, formant ainsi un signal de quasar visible dans tout l’univers.
Outre le rayonnement, les trous noirs sont également capables d’émettre deux puissants jets de matière à une vitesse proche de celle de la lumière dans l’espace, dans des directions opposées.
On pense que ces jets sont dus au fait que le « disque d’accrétion » de matière qui entre en spirale dans le trou noir génère des champs magnétiques tordus qui, à leur tour, accélèrent les particules le long de l’axe du disque.
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La nouvelle étude, qui s’est concentrée sur le trou noir supermassif au cœur de la galaxie Messier 87 (M87), a été réalisée par le Dr Ru-Sen Lu, de l’Observatoire astronomique de Shanghai (Chine), et ses collègues.
Le Dr Lu a déclaré : « Nous savons que des jets sont éjectés de la région entourant les trous noirs, mais nous ne comprenons pas encore parfaitement comment cela se produit.
« Pour l’étudier directement, nous devons observer l’origine du jet aussi près que possible du trou noir.
Le trou noir central de M87, qui est 6,5 milliards de fois plus massif que notre Soleil, se trouve à 55 millions d’années-lumière.
Les chercheurs ont analysé les observations de M87 effectuées en 2018 par un réseau de radiotélescopes du monde entier, notamment le Global Millimetre VLBI Array (qui comprend 14 sites en Europe et en Amérique du Nord), l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (au Chili) et le télescope du Groenland, qui travaillent ensemble pour agir comme un télescope « virtuel » de la taille de la Terre.
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L’image formée par ces télescopes montre, pour la première fois, comment la base d’un jet est reliée à la matière tourbillonnant autour du trou noir supermassif à partir duquel il s’est formé.
Auparavant, il n’était possible d’observer ces deux parties que séparément.
Le co-auteur de l’article et astrophysicien, le professeur Jae-Young Kim de l’université nationale de Kyungpook en Corée du Sud, a expliqué : « Cette nouvelle image complète le tableau en montrant la région autour du trou noir et le jet en même temps : « Cette nouvelle image complète le tableau en montrant la région autour du trou noir et le jet en même temps.
L’image montre également ce que les scientifiques appellent « l’ombre » du trou noir supermassif.
Cette ombre est délimitée par une structure lumineuse en forme d’anneau entourant le trou, créée lorsqu’une partie de la lumière émise par le disque d’accrétion de la matière tombant dans le trou est courbée et capturée autour du trou.
Ce phénomène est peut-être connu grâce à la toute première photographie directe d’un trou noir (M87, encore une fois) publiée par la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) en 2019.
Contrairement à l’image précédente, cependant, les nouvelles observations de M87 montrent que la lumière est émise à une longueur d’onde plus grande – 3,5 millimètres, par opposition aux 1,3 mm vus par EHT – avec l’anneau autour du trou noir apparaissant également environ 50 pour cent plus grand dans la nouvelle image.
Thomas Krichbaum, de l’Institut Max Planck de radioastronomie de Bonn (Allemagne), co-auteur de l’article, a déclaré : « À cette longueur d’onde, nous avons pu observer un trou noir plus grand que l’EHT : « À cette longueur d’onde, nous pouvons voir comment le jet émerge de l’anneau d’émission autour du trou noir supermassif central ».
Leur étude initiale étant terminée, les chercheurs souhaitent maintenant utiliser le même réseau de radiotélescopes pour en savoir plus sur la formation des jets des trous noirs.
Le professeur Eduardo Ros, auteur de l’article et astronome de la société Max Planck, explique : « Nous prévoyons d’observer la région autour du trou noir au centre de M87 à différentes longueurs d’onde radio afin d’étudier plus en détail l’émission du jet.
« Les années à venir seront passionnantes car nous pourrons en apprendre davantage sur ce qui se passe près de l’une des régions les plus mystérieuses de l’Univers.
Les résultats complets de l’étude ont été publiés dans la revue Nature.