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Zoom sur les éruptions gamma du trou noir de la galaxie M87

En combinant les radiotélescopes du VLBA et trois instruments travaillant dans le domaine gamma, des astronomes ont observé plus précisément que jamais le trou noir central de la célèbre radiogalaxie M87. Conclusion : c'est bien dans son environnement immédiat que se produisent les puissantes éruptions gamma.

Cette image obtenue aussi avec le VLBA représente le jet de matière de M87 sur une distance de 200.000 années-lumière environ. La zone cerclé en blanc indique la résolution atteinte par les télescopes gamma, ce qui est assez faible. Crédit : NRAO/AUI/NSF Cette image obtenue aussi avec le VLBA représente le jet de matière de M87 sur une distance de 200.000 années-lumière environ. La zone cerclé en blanc indique la résolution atteinte par les télescopes gamma, ce qui est assez faible. Crédit : NRAO/AUI/NSF

Zoom sur les éruptions gamma du trou noir de la galaxie M87 - 4 Photos

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Lorsqu’un trou noir est entouré d’un disque de matière spiralant vers son horizon des événements (surface définissant la région de l’espace-temps occupée par cet astre et d’où pas même la lumière ne peut s’échapper), de grandes quantités d’énergie gravitationnelle peuvent être converties en des bouffées de rayonnement dans les domaines radio, X et gamma.

Lorsqu’il s’agit d’un trou noir central dans une galaxie, l’énergie libérée par le processus d’accrétion devient monstrueuse et, couplée à des processus de magnétohydrodynamiques relativistes complexes dus à la rotation du trou noir, elle explique la puissance des noyaux actifs de galaxies que sont les quasars.

La radio galaxie M87 est l’une des plus étudiées par les astronomes et les astrophysiciens. Elle est située à 55 millions d’années-lumière environ et elle arbore un puissant jet de matière émis par son trou noir central dont on estime la masse à six milliards de masses solaires. Elle vient de faire l’objet de 120 heures d’observations conduites en utilisant les radiotélescopes du Very Long Baseline Array (VLBA) et de trois autres instruments scrutant les secrets du cosmos dans le domaine gamma.

Cliquer pour agrandir. L'ensemble des radiotélescopes du VLBA. Ils sont répartis sur presque un quart d'un hémisphère de la planète. Crédit : NRAO/AUI-SeaWiFS Project NASA/GSFC-ORBIMAGE
Cliquer pour agrandir. L'ensemble des radiotélescopes du VLBA. Ils sont répartis sur presque un quart d'un hémisphère de la planète. Crédit : NRAO/AUI-SeaWiFS Project NASA/GSFC-ORBIMAGE

En associant des radiotélescopes dispersés sur le Globe, il est en effet possible d’obtenir des images à très haute résolution, comme si l’on disposait d’une antenne de plusieurs milliers de kilomètres de diamètre. L’objectif des chercheurs était d’essayer de localiser où exactement dans M87 se produisaient les éruptions dans le domaine gamma, dont on savait qu'elles sont associées à des bouffées d’ondes radio de durées plus longues.

Il était bien sûr naturel d’imaginer que ces émissions, intenses mais courtes, de photons des milliers de milliards de fois plus énergétiques que ceux du Soleil dans le domaine visible devaient se produire dans le disque d’accrétion du trou noir de Kerr supermassif de M87, ou au moins dans son jet de particules très énergétiques.

Une représentation d'artiste du disque de poussières et de gaz spiralant vers un trou noir géant en rotation. Deux jets de particules de matière et de photons à différentes longueurs d'onde sont alors émis. Le point noir au centre du disque d'accrétion représente le trou noir lui-même. Crédit : Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
Une représentation d'artiste du disque de poussières et de gaz spiralant vers un trou noir géant en rotation. Deux jets de particules de matière et de photons à différentes longueurs d'onde sont alors émis. Le point noir au centre du disque d'accrétion représente le trou noir lui-même. Crédit : Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

Mais l’Univers défie parfois les théories les plus rationnelles et de prime abord les plus logiques. Une vérification s’imposait... De janvier à mai 2008, les trois instruments les plus sensibles dans le domaine des photons gamma de très hautes énergies, Veritas, HESS et Magic ont observé M87 pour un total de 120 heures, conjointement avec le VLBA.

Deux sursauts gamma ont été détectés dans M87 et, comme pour le cas des premières observations de ce genre en 1998, suivies de celles de 2006, une variabilité du flux de photons gamma pendant quelques jours a été mesurée. Cela implique que la taille de la source ne peut être elle-même, au maximum,  que de l’ordre de grandeur de la distance parcourue par la lumière pendant cette durée. Cela était donc bien cohérent avec l’hypothèse que c’était bien en liaison étroite avec le trou noir central de cette galaxie elliptique que les éruptions gamma se produisent.

Cliquer pour agrandir. Le zoom du VLBA porte sur l'extrémité du jet de M87 déjà étudié en X par Chandra. On le voit en bas à droite. Le disque d'accrétion et la base du jet de matière sont bien visibles en radio. Crédit : Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
Cliquer pour agrandir. Le zoom du VLBA porte sur l'extrémité du jet de M87 déjà étudié en X par Chandra. On le voit en bas à droite. Le disque d'accrétion et la base du jet de matière sont bien visibles en radio. Crédit : Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

Comme le montrent les images obtenues avec l’extraordinaire puissance de résolution en radio du VLBA, c’est effectivement tout près du trou noir que la génération des photons gamma et des bouffées radios interviennent. La précision obtenue est telle que les astrophysiciens savent maintenant que les éruptions se produisent à seulement 50 fois la taille de l’horizon du trou noir supermassif de M87. Ce dernier est environ deux fois plus grand que notre système solaire.

Les chercheurs pensent maintenant que les éruptions gamma et radio commencent avec l’éjection d’une bouffée de particules voyageant presque à la vitesse de la lumière dans le jet de matière de M87. Au fur et à mesure que la bouffée de particules se dilue dans le jet, les émissions gamma cessent assez rapidement mais les émissions radios, elles, augmentent en intensité pendant au moins deux mois.

Un article publié dans Science expose l’ensemble des découvertes faites par les astronomes. On peut penser que dans les années ces instruments apporteront de nouvelles découvertes sur les phénomènes se déroulant aux abords d’un trou noir galactique. Elles devraient venir compléter celles qui découleront des études, de plus en plus fines, de notre propre trou noir central.


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