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Le trou noir central de la Voie lactée était très actif il y a 400 ans !

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Bien que très calme aujourd'hui, le trou noir supermassif de notre Voie lactée laissait penser qu'il avait été beaucoup plus actif il y a quelques centaines d'années. Des échos de lumière par les télescopes européens Intégral et XMM-Newton en fournissent la preuve.

Cette séquence d’images obtenue par XMM-Newton montre l’évolution entre 2004 et 2009 de l’émission de fluorescence de plusieurs nuages moléculaires proches de Sgr A* (situé hors du champ). L'excellente résolution spatiale et spectrale des instruments de ce satellite à rayons X produit des images fines dans la raie de fluorescence du Fer à 6,4 keV et seulement dans cette raie. Les sous-régions 1, 2, 3 et 4 (en pointillé) du nuage appelé bridge (grande ellipse bleu) s’allument progressivement. La dimension de ce nuage est sur le ciel d’environ 2 minutes d’arc soit à la distance du centre galactique, 15 années-lumière. La flèche blanche pointe dans la direction de Sgr A*. Crédit : CEA-Esa

C'est désormais un fait bien établi, l'immense majorité des galaxies abritent en leur cœur un trou noir supermassif. Notre Voie lactée ne fait pas exception et l'observation patiente des orbites de certaines étoiles dans le bulbe galactique a montré que la source radio intense Sagittarius A* n'est autre qu'un trou noir de 4 millions de masses solaires. En avoir un aussi proche de notre Système solaire est une aubaine car il devrait permettre de tester les modèles des noyaux actifs de galaxies, plus précisément les quasars.

On a en effet toutes les raisons de penser que les fantastiques quantités d'énergie rayonnées par les quasars au cœur des galaxies proviennent de l'accrétion de matière tombant sur un trou noir de Kerr en rotation, de plusieurs centaines de milliers à quelques milliards de masses solaires.

Bien sûr, dans le cas de notre Galaxie, ce cœur n'est pas un quasar et il n'est même pas classé comme noyau actif. Mais les caractéristiques des nuages moléculaires et des étoiles l'entourant, qui ne sont pas noyées dans un formidable flot de rayonnement, doivent pouvoir donner des informations précieuses sur ces trous noirs géants. Par exemple, sur la façon dont ils interagissent avec leur environnement pour donner des sursauts, comme à l'occasion de la formation d'une crêpe stellaire. De plus, il est fort probable qu'il y a des milliards d'années, lorsque des collisions avec d'autres galaxies alimentaient copieusement en gaz frais notre trou noir central, celui-ci devait bien se comporter comme un quasar.

En tout état de cause, on comprends aisément pourquoi le centre de notre Galaxie et la région entourant Sgr A* font l'objet de campagnes d'observations dans le domaine des rayons gamma et X avec les télescopes européens Integral et XMM-Newton de l'Esa.

La région du centre galactique vue par la caméra Isgri à bord du satellite Integral entre 2003 et 2009 dans la bande d'énergie 20-60 keV. L'intensité lumineuse du nuage moléculaire Sgr B2 (cercle vert dans l'image 2003) décroît clairement entre 2003 et 2009, signature du déclin il y a 100 ans d'une éruption du trou noir central dont la position est indiquée par une croix. Le champ de chaque image est de 2 x 6 degrés et chaque pose totalise trois millions de secondes. Hormis Sgr B2, les sources détectées sont principalement des couples d'étoiles contenant des objets compacts (systèmes binaires X). Crédit : CEA-ESA

Il se trouve que ces instruments ont surpris au cours des années des échos de lumière en surveillant le rayonnement émis par les nuages moléculaires autour du trou noir central. Contenant essentiellement de l'hydrogène moléculaire H2 , de faibles quantités monoxyde de carbone CO et des traces d'éléments comme le fer, ces nuages se mettent à produire un rayonnement de fluorescence lorsqu'ils sont illuminés par des rayons X dont les photons dépassent, en énergie, les 7 keV.

Les grains de lumière sont alors suffisamment énergétiques pour arracher des électrons internes des atomes de fer. En récupérant des électrons issus des couches externes, ces atomes émettent ensuite une raie bien caractéristique et l'ensemble du nuage se comporte alors comme une nébuleuse en réflexion.

Pendant les années 1990, le nuage moléculaire Sgr B2, contenant près de trois million de masses solaire, avait donné des signes d'un écho de lumière qui pouvait être attribué au rayonnement émis à l'occasion d'une éruption du trou noir il y a 300 ans. Mais d'autres explications pouvaient être apportées et les choses en étaient restées là.

Toutefois, maintenant, en cumulant six années d'observations avec le satellite Integral, le doute n'est plus permis. On voit en effet un rayonnement de Sgr B2 dont la décroissance régulière d'un facteur deux de l'intensité, entre 2003 et 2009, ne peut pas être interprétée autrement que comme la signature d'un écho de lumière.

En outre un second nuage moléculaire, G0.11-0.11, dont le rayonnement de fluorescence montre une décroissance identique renforce cette conclusion et conduit à admettre qu'il y 400 ans, une éruption produite par l'absorption de matière par le trou noir central a multiplié sa luminosité par 1.000.000 !

Ce que l'on observe actuellement est la conséquence du déclin de l'activité du trou noir central amorcé il y a 100 ans.


Sur des images en rayons X obtenues par le satellite XMM, les chercheurs ont découvert des variations de luminosité  étonnantes entre 2004 et 2009, qui montre que le trou noir gigantesque du centre de la galaxie a eu une éruption géante il y a environ 400 ans. Animation R. Terrier (APC). Crédit : APC/CEA-SAp /ESA.

En accord avec ce scénario, les observations de XMM-Newton montrent que d'autres nuages moléculaires s'allument puis s'éteignent sous l'action du rayonnement qui a été émis, et qui continue à s'éloigner, par Sgr A*. Cela donne d'ailleurs lieu à des illusions d'optiques faisant croire à la propagation superluminique de ce rayonnement.

C'est ainsi qu'un nuage moléculaire appelé bridge (pont en anglais) a semblé s'allumer progressivement à différents endroits entre 2004 et 2009. Ce phénomène s'était produit en 5 ans, ce qui semblait paradoxal puisque la taille du nuage est de 15 années-lumière. En réalité, par un effet de perspective, la propagation du rayonnement dans ce nuage semble plus rapide que la lumière mais elle ne l'est pas.

En tout état de cause, ces observations confirment que Sgr A* peut être un bon laboratoire pour étudier de près certains des processus ayant lieu dans les noyaux actifs de galaxies.

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