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Sgr A* : l'EHT sonde les champs magnétiques de notre trou noir

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L'astrophysique des trous noirs se prépare à faire un bond en avant avec le projet Event Horizon Telescope (EHT), une combinaison de radiotélescopes en cours de réalisation. Des résultats préliminaires permettent déjà de sonder les champs magnétiques proches de l'horizon du trou noir supermassif de la Voie lactée, Sagittarius A*.

Une vue d'artiste de Sagittarius A* (ou Sgr A*), le trou noir supermassif de la Voie lactée. Dans le disque d'accrétion entourant l'horizon des évènements d'un plasma de matière chaud et lumineux, les lignes de champs magnétiques sont très entortillées et déformées par la turbulence. Celles parallèles à l'axe de rotation du trou noir sont moins chaotiques et accélèrent les particules émises dans les jets du trou noir. © M Weiss, CfA

Dans le Grand Tout, un road movie français plongeant le spectateur dans l'univers d'Einstein, les héros s'approchent du fameux trou noir supermassif situé au cœur de la Voie lactée et appelé Sagittarius A* (Sgr A*). Pesant environ 4 millions de masses solaires, cet astre compact est l'objet de l'attention des astrophysiciens depuis quelques décennies car il est potentiellement un formidable laboratoire pour tester les théories relativistes de la gravitation comme la relativité générale d'Einstein, qui fête cette année ses 100 ans. C'est aussi un formidable banc d'essai pour mettre à l'épreuve les modèles des quasars, dont le formidable rayonnement proviendrait de l'accrétion de la matière par des trous noirs supermassifs en rotation, décrits par la fameuse solution de Kerr.

Les chercheurs ont donc l'ambition de pouvoir observer et mesurer les phénomènes se déroulant au plus près de l'horizon des évènements de Sagittarius A* ainsi qu'au niveau de son disque d'accrétion. Pour cela, ils sont en train de développer le projet Event Horizon Telescope (EHT). Celui-ci consiste à combiner des radiotélescopes répartis sur toute la Planète et à traiter les signaux collectés pour obtenir l'équivalent d'un énorme radiotélescope. La résolution atteinte sera alors suffisante pour s'approcher de plus en plus près de l'horizon des évènements, cette surface en dessous de laquelle rien ne peut plus s'échapper d'un trou noir sans dépasser la vitesse de la lumière, ou alors sous forme de rayonnement Hawking. Autant dire qu'il s'agit d'un défi car Sagittarius A* est situé à environ 25.000 années-lumière de la Terre et sa taille n'est que de 12 millions de kilomètres. Dans le visible, une prouesse équivalente reviendrait à observer une balle de golf sur la Lune.

Une publication sur arXiv décrit une première ébauche de l'EHT ayant déjà fourni des mesures intéressantes des champs magnétiques proches de l'horizon des évènements de Sgr A*. Il y a quelques années, un pulsar avait permis de sonder partiellement les champs magnétiques à une plus grande distance de ce trou noir mais les observations déjà obtenues en combinant le pouvoir de radiotélescopes situés à Hawaï, en Californie et en Arizona sont bien plus excitantes. Elles donnent un peu plus de poids à un célèbre modèle proposé dès 1977 par les astrophysiciens Roger Blandford et Roman Znajek afin d'expliquer l'origine du rayonnement des quasars, plus précisément de leurs jets de matière.

L'astrophysicien Roger Blandford est un spécialiste de la physique des trous noirs. Il a proposé il y a presque 40 ans un des meilleurs modèles expliquant les jets des quasars. © The Kavli Foundation

Des champs magnétiques mesurés par effet Faraday

La matière tombant vers un trou noir s'échauffe tellement que les électrons finissent par être arrachés des atomes qui deviennent ionisés. Il se forme alors un plasma dans lequel des courants apparaissent, qui génèrent donc des champs magnétiques, lesquels agissent eux-mêmes sur ces courants. Lorsqu'en plus le trou noir est en rotation, les lois de la relativité générale se mélangent avec celles de l'électrodynamique. Des phénomènes magnétohydrodynamiques complexes émergent et tout se passe comme si le trou noir était une sphère conductrice chargée, en rotation et couplée avec un disque de fluide parcouru de turbulences. Au final, les lignes de champs magnétiques générées se tordent et propulsent des particules chargées dans les jets parallèles à l'axe de rotation du trou noir en empruntant de l'énergie à la rotation de l'astre.

L'embryon de l'EHT confirme pour la première fois la présence de ces lignes de champs magnétiques près de l'horizon et du disque d'accrétion de Sgr A*. En effet, les électrons du plasma, en tournant en spirale autour des lignes de champs émettent un rayonnement synchrotron sous forme de lumière polarisée. Or, l'état de polarisation de cette lumière est modifié par un champ magnétique : c'est l'effet Faraday. En mesurant cette polarisation, il est donc, en principe, possible détecter et mesurer un champ magnétique.

Dans une région s'étendant sur environ six fois le rayon de l'horizon des évènements, les astrophysiciens ont finalement découvert deux types de champs magnétiques dont certains fluctuent en seulement 15 minutes. L'un de ces types correspond à des champs chaotiques et entrelacés comme des spaghettis. Il s'agit probablement des champs régnant dans le disque de matière où les écoulements de fluides sont turbulents. L'autre type de champs magnétiques correspond à des champs plus ordonnés qui sont peut-être à l'origine des jets de particules.

Interrogé au sujet de cette découverte, Roger Blandford ne cache pas sa satisfaction : « Voir un champ magnétique intense est très encourageant. Cela renforce notre hypothèse que les jets des trous noirs supermassifs sont alimentés en énergie par des processus électromagnétiques ».