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Les éruptions d'un trou noir supermassif observées par Chandra

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Le télescope Chandra a mis en évidence trois paires de cavités dans le gaz chaud baignant un groupe de galaxies. Elles ont été produites par les éruptions du trou noir supermassif situé au cœur de la géante elliptique NGC 5813. Ce nombre constitue un record.

Les observations de Chandra en rayons X (en mauve) trahissent la présence d'un gaz chauffé à plus d'un million de degrés autour d'une galaxie elliptique géante. Ces émissions sont superposées à celles de la galaxie observée dans le visible par le programme du SDSS (Sloan Digital Sky Survey). © Rayon X : Nasa, CXC, SAO, S. Randall et al., visible : SDSS

Il y a cent ans cette année, Albert Einstein découvrait les équations de la relativité générale. Paradoxalement, il a commencé par rejeter deux des prédictions les plus spectaculaires de sa théorie de la gravitation : l'expansion de l'univers et l'existence de trous noirs. Aujourd'hui, nous étudions pourtant l'énergie noire à l'origine d'une accélération de cette expansion et nous nous préparons même à observer de près l'horizon des événements du trou noir supermassif situé au cœur de la Voie lactée.

Nous étudions depuis environ 15 ans déjà les émissions dans le domaine des rayons X des trous noirs, ce qui nous a permis de mieux comprendre l'astrophysique qui leur est associée quand ils accrètent de la matière et l'expulsent sous forme de jets. Un phénomène que peut par exemple observer le télescope Hubble à d'autres longueurs d'ondes.

L'une des dernières prouesses permises par Chandra, un télescope de la Nasa, est d'observer dans le domaine des rayons X les traces d'une série d'éruptions associées à un trou noir supermassif, comme on peut le voir dans un article sur arXiv.

NGC 5813 fait partie de ce que l'on appelle parfois des galaxies centrales dominantes, c'est-à-dire des galaxies elliptiques particulièrement massives situées au cœur des amas ou des groupes de galaxies. © SDSS

Des ondes de choc creusent des cavités

NGC 5813 est une galaxie elliptique appartenant à un groupe de galaxies situé à environ 105 millions d'années-lumière de la Terre dans la constellation de la Vierge. Ce groupe a été observé à neuf reprises entre 2005 et 2011 sur une durée totale légèrement supérieure à une semaine. Il s'agit en l'occurrence d'un record de durée pour un groupe de galaxies observé grâce à Chandra. Rappelons que les groupes de galaxies n'en contiennent en général que quelques dizaines, contrairement aux amas qui en comportent de quelques centaines à quelques milliers. Tout comme les amas, ils baignent dans un gaz porté à plus d'un million de kelvins, une température qui n'est pas sans rappeler le gaz coronal de la couronne solaire.

Le trou noir supermassif au cœur de NGC 5813 a visiblement connu plusieurs éruptions depuis environ 50 millions d'années, selon les images fournies par Chandra. On sait que les trous noirs de Kerr en rotation et accrétant de la matière produisent des lignes de champs magnétiques, qui s'enroulent, montent au-dessus de leurs pôles et s'accompagnent de jets de particules. Lors d'une éruption, des paires d'ondes de choc se propagent le long de ces jets en partant des deux pôles et créent dans le gaz du groupe de galaxies des cavités de type coronal.

En mauve, les observations de Chandra en rayons X sont superposées à celles du SDSS (Sloan Digital Sky Survey) dans le visible. On voit trois paires de cavités (cavity) qui sont d'autant plus anciennes qu'elles sont éloignées du centre de l'image. © Rayons X : Nasa, CXC, SAO, S. Randall et al., visible : SDSS

De la même façon que dans l'eau des bulles de gaz remontent vers la surface, ces bulles s'éloignent du trou noir supermassif. Il est alors possible de les observer à grandes distances de celui-ci. Trois paires de cavités ont donc été repérées par les astrophysiciens. Leurs caractéristiques les renseignent sur les dates des éruptions et leurs durées. Ils peuvent aussi faire des bilans d'énergie pour évaluer la puissance des éruptions.

Il semble ainsi que trois explosions distinctes du trou noir ont eu lieu il y a respectivement 3 millions, 20 millions et 90 millions d'années. Les puissances moyennes des deux explosions les plus anciennes sont comparables. En revanche, celles des plus récentes diffèrent d'un facteur de six, montrant que la puissance délivrée par les jets peut varier considérablement sur des périodes d'environ 10 millions d'années.

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