Une carte des bulles de Fermi en gamma et X. © ESA/XMM-Newton/G. Ponti et al. 2019 - ESA/Gaia/DPAC (Milky Way map), CC by-sa 3.0 IGO

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Voie lactée : notre trou noir supermassif fume sous les yeux de Fermi et XMM-Newton

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Depuis des années, les astrophysiciens sont occupés à dresser des cartes de la Voie lactée en gamma et en rayons X, en particulier dans ses régions centrales. Ils y ont découvert des bulles et des colonnes de plasma plus chaud que le Soleil qui témoignent sans doute d'une brusque activité de son trou noir supermassif il y a quelques millions d'années seulement.

Nous savons que les trous noirs supermassifs croissent de pair avec les grandes galaxies spirales qui les abritent. Nous ne savons pas très bien pourquoi ni comment, même si nous avons de bonnes raisons de penser qu'une partie de ce phénomène provient de la fusion à répétition des galaxies depuis leur naissance, sous forme de galaxies naines il y a plus de 13 milliards d'années dans le cosmos observable.

Nous avons de bonnes raisons de penser aussi que le contenu en gaz et en nouvelles étoiles des galaxies est influencé par les flux de matière et de rayonnement que peuvent émettre ces trous noirs lorsqu'ils accrètent de la matière, et en particulier lorsqu'ils se comportent comme des quasars.

Pour tenter d'y voir plus clair, les astrophysiciens ont donc entrepris d'étudier le plus proche trou noir supermassif à notre disposition, qui permet donc d'avoir les détails les plus précis et les plus complets possible. Il s'agit bien évidemment de celui contenant environ 4 millions de masses solaires et qui se trouve au centre de la Voie lactée. Il a été découvert initialement sous la forme d'une puissante source radio dont le nom est Sagittarius A*, située dans la direction de la constellation zodiacale du Sagittaire.

Ce nom et son diminutif Sgr A* désignent désormais l'astre compact tapi au cœur de notre Galaxie qui fait l'objet de multiples études. Des études pour vérifier aussi que nous sommes bien en présence d'un trou noir, et pas d'un trou de ver par exemple, ou à tester des alternatives à la théorie de la gravitation d’Einstein, la relativité générale, quand il ne s'agit pas aussi de démontrer l'existence de la matière noire.

Les astrophysiciens et les spécialistes en astroparticules étudient les abords immédiats de Sgr A* dans le domaine des rayons gamma et des rayons X. Comme Futura l'expliquait en 2010 dans l'article ci-dessous, des bulles géantes de matière ont été découvertes en 2010 par le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la Nasa, l'une s'étendant au-dessus du plan de la Voie lactée et l'autre en dessous, formant un sablier colossal couvrant environ 50.000 années-lumière, soit environ la moitié du diamètre de la Galaxie tout entière. Ces bulles chaudes doivent contenir des particules chargées très énergétiques dont il est vraisemblable de penser qu'elles proviennent d'une période où Sgr A* était beaucoup plus actif dans un passé pas très lointain et où il accrétait beaucoup plus de gaz.

En 1895, le physicien allemand Wilhelm Röntgen découvrait des rayonnements dont il ne connaissait pas la nature, il les baptisa donc rayons X. Une des applications les plus connues de ces rayons se fait dans l'imagerie médicale. Dans l'espace, on s'intéresse surtout aux sources qui émettent ces rayons. Les dix ans de la mission XMM-Newton sont le thème de cette édition de « Space ». © euronews (en français)

Sagittarius A* fumant sous les yeux de XMM-Newton ?

Les études au sujet de ces bulles se sont poursuivies, en particulier par une équipe internationale impliquant des astrophysiciens du département d'astrophysique du CEA-Irfu, du CNRS, du laboratoire Astroparticule et cosmologie de Paris (APC, CNRS/Université Paris Diderot/CEA/Observatoire de Paris) et de l'Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble (Ipag, CNRS/Université Grenoble Alpes)  avec le soutien du Centre national d'études spatiales (Cnes).

Elles ont été réalisées cette fois-ci dans le domaine des rayons X avec une cinquantaine d'observations totalisant plus de 300 heures entre 2016 et 2018 au moyen du satellite européen XMM-Newton.

Il s'agissait en fait, précisément, d'établir une carte à grande échelle de l'émission en rayons X de la région du centre de la Voie lactée. Cette carte a alors révélé l'existence de deux colonnes de plasma chaud (à des températures de plusieurs millions de degrés) dans les bulles de Fermi et situées de part et d'autre du plan galactique à environ 500 années-lumière de distance à chaque fois, comme l'explique l'article publié dans Nature par les astrophysiciens.

Ces colonnes s'élèvent directement au-dessus de Sgr A* et il est tentant d'y voir là aussi les traces d'un regain d'activité de notre trou noir central dans un passé assez proche (quelques millions d'années tout au plus, alors qu'aujourd'hui il n'est associé qu'à un fort rayonnement radio, une très faible émission de rayons X ainsi que de quelques sursauts de faible luminosité en infrarouge.

Cette possibilité est d'ailleurs mentionnée dans un communiqué par Andrea Goldwurm, chercheure CEA et du laboratoire Astroparticule et Cosmologie de Paris, coauteure de cette découverte, qui explique que : « L'hypothèse la plus convaincante est que les cheminées de gaz chaud que nous avons découvertes pourraient être le canal qui transporte l'énergie de la région active du centre de la Galaxie vers l'extérieur, alimentant ainsi les bulles de Fermi, comme le suggère leur morphologie. »

Mais la prudence s'impose comme le précise Maïca Clavel, chercheure CNRS à l'Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble, et aussi coauteure de la publication dans Nature qui ajoute dans le communiqué du CEA que : « Bien que ce lien semble suggérer, en raison de l'intermittence probable de l'injection d'énergie provenant des régions centrales, la carte de l'émission radio du trou noir n'appuie pas directement l'idée que les cheminées sont une continuation des lobes radio internes. »

Le centre de la Voie lactée est en effet très riche en étoiles. On ne peut donc pas exclure que l'on soit en présence de concentrations de supernovae ou simplement de l'effet des vents de matière de jeunes étoiles très chaudes et très massives.

L'enquête continue donc.

Une illustration des observations en gamma et rayons X des bulles de Fermi avec des cheminées (chimney) de gaz chaud rayonnant en X au-dessus de notre trou noir supermassif. Les échelles sont en années-lumière (light years). © ESA/XMM-Newton/G. Ponti et al. 2019; ESA/Gaia/DPAC (Milky Way map), CC by-sa 3.0 IGO
  • Il y a des milliards d'années, le trou noir supermassif de la Voie lactée était probablement aussi actif qu'un quasar, accrétant beaucoup de matière et produisant donc des jets et un rayonnement important.
  • Il s'est fortement calmé depuis mais nous avons des raisons de penser qu'il a eu un petit regain d'activité il y a quelques millions d'années.
  • La découverte en gamma par Fermi de deux lobes de plasma chaud géants au-dessus du plan de la Voie lactée ainsi que des colonnes de ce gaz chaud au-dessus du trou noir central, observées en rayons X par XMM-Newton, plaide en faveur de cette hypothèse.
Pour en savoir plus

Fermi découvre deux lobes gigantesques émis par la Voie lactée

Article de Laurent Sacco publié le 10/11/2010

Le satellite Fermi vient de faire une découverte stupéfiante. Deux lobes émettant des rayons gamma s'élèvent de part et d'autre du bulbe galactique. S'étalant sur une longueur totale de 50.000 années-lumière, cette structure pourrait être en relation avec une activité passée du trou noir central.

Carl Sagan serait parmi nous aujourd'hui, la découverte annoncée le 9 novembre 2010 aurait constituée pour lui un beau cadeau d'anniversaire, quand bien même elle ne concerne pas l'exobiologie. Une équipe d'astrophysiciens utilisant les instruments du télescope Fermi pour cartographier en gamma la voûte céleste a en effet découvert une vaste structure s'étendant sur près de 50.000 années-lumière entre la constellation de la Vierge et celle de la Grue.

Elle se présente sous la forme de deux lobes situés de part et d'autre du disque de la Voie lactée et semblant s'élever comme des panaches de gaz du bulbe galactique central. Elle provient d'une émission diffuse en rayon gamma causée par l'effet Compton inverse. Il s'agit donc d'électrons très énergétiques entrant en collision avec des photons de faibles énergies et leur cédant une partie de celle-ci. Le résultat net est la production de photons gamma diffus plus énergétiques. L'origine de ces électrons n'est cependant pas claire.

Cette image de la voûte céleste a été construite à partir de deux années d'observations de Fermi. C’est la plus précise et la plus profonde en gamma à ce jour. Elle montre comment le ciel apparaît à des énergies supérieures à un milliard d'électron-volts (1 GeV). À titre de comparaison, l'énergie de la lumière visible est comprise entre 2 et 3 d'électrons-volts. Une lueur diffuse emplit le ciel et la partie la plus brillante se trouve le long du plan de notre galaxie. Les sources de rayons gamma ponctuelles sont des pulsars et des restes de supernovae dans notre galaxie, ainsi que des galaxies lointaines rayonnant à cause de leurs trous noirs supermassifs. © Nasa

La structure découverte par les chercheurs n'est pas directement visible sur une image brute de la voûte céleste fournie par Fermi, telle celle résultant de 2 années d'observations. Il a fallu traiter les images pour la rendre pleinement visible.

Convenablement retravaillée pour faire ressortir des signaux précis, l'image précédente révèle deux lobes au-dessus du bulbe galactique de la Voie lactée. © Nasa/DOE/Fermi LAT/D. Finkbeiner et al.

Les hypothèses sur la présence de ces deux lobes

Pour le moment, les astrophysiciens ne savent pas trop comment interpréter son existence. Il pourrait s'agir des résidus d'une activité passée du trou noir central de la galaxie. On observe des structures en lobes similaires pour plusieurs noyaux actifs de galaxies. Il est d'ailleurs fort probable que le trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée ait lui-même été un quasar il y a des milliards d'années.

Il pourrait s'agir aussi d'un panache de matière causé par une formation brusque d'amas stellaires ouverts dans le bulbe galactique, il y a seulement quelques millions d'années. Là aussi, de brusques et importantes libérations de flots de gaz à l'occasion d'un tel processus sont observées dans d'autres galaxies.

Les bulles de Fermi. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa's Goddard Space Flight Center

La structure elle-même se laissait en partie deviner depuis plusieurs années dans les observations effectuées dans le domaine des rayons X, cette fois-ci par le satellite Rosat. Les données fournies par WMap montraient aussi un curieux excès dans le domaine des microondes, dans la région aujourd'hui révélée en gamma par l'instrument LAT de Fermi.

Mystérieuse, cette structure pourrait donner des informations importantes sur notre galaxie.

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