Cette image en fausses couleurs du VLA, réalisée à plusieurs fréquences radio, montre un jet dans le domaine radio provenant de la galaxie M87. Le jet, vu sur cette image, mesure environ 8.000 années-lumière. Cette image montre clairement la structure hélicoïdale en forme de tire-bouchon dans la partie interne du jet, qui prend naissance au point lumineux à gauche, au cœur de la galaxie, où réside un trou noir supermassif. © Pasetto et al., Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF
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Le jet galactique du trou noir supermassif M87* est en double hélice d'ADN

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Le trou noir supermassif M87*, contenant plusieurs milliards de masses solaires, est à l'origine d'un jet de matière que l'on connait depuis 1918, grâce à l'astronome américain Heber Doust Curtis de l'Observatoire Lick. Les radioastronomes viennent de révéler que ce jet a une structure hélicoïdale en rapport avec de puissants champs magnétiques.

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[EN VIDÉO] L'activité du trou noir supermassif M87* a été filmée  Les succès remportés depuis plus de 50 ans par la théorie de la relativité générale sont un tribut au génie créateur et rebelle d'Albert Einstein. Mais ces succès reposent aussi sur des tests de plus en plus rigoureux et l'un des derniers en date concerne les images que commence à livrer l'Event Horizon Telescope concernant le trou noir supermassif M87*. On commence même à pouvoir en faire des films montrant son activité. 

La radioastronomie a révélé les premiers quasars au début des années 1960 et très rapidement les astrophysiciens se sont demandé si les extraordinaires quantités d'énergie rayonnées par ces objets n'étaient pas le produit de trous noirs très massifs en rotation entourés d'un disque d'accrétion. Nous savons maintenant qu'il en est bien ainsi. Ou, si l’on veut être rigoureux, que les objets compacts contenant de un million à plusieurs milliards de masses solaires que nous détectons au cœur des grandes galaxies se comportent à tout point de vue jusqu'à présent comme ces trous noirs.

En tombant vers eux pour former d'abord un disque d'accrétion, la matière s'échauffe prodigieusement à cause de forces de frottement visqueuses dans le courant de gaz. Celui-ci s'ionise, libérant des électrons et des noyaux d'atomes de sorte que des courants électriques naissent ainsi que des champs magnétiques générés par ces courants.

Roger Blandford nous parle des trous noirs supermassifs et de leurs jets dans cette vidéo. 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 ». © Quanta Magazine

Des jets de particules relativistes accélérées

Au final, on obtient donc un plasma et des champs magnétiques se déplaçant dans l'espace-temps courbe d'un trou noir en rotation, ce qui le fait se comporter comme un générateur de courant et un accélérateur de particules infiniment plus puissant que le LHC. Il existe alors de nombreux phénomènes relevant de ce que l'on appelle la magnétohydrodynamique en espace-temps courbe. L'un de ces phénomènes est la production de jets de matière avec des champs magnétiques et à la base de sa description on trouve la découverte faite en 1977 par deux jeunes astrophysiciens relativistes alors à l'université de Cambridge, Roger Blandford et Roman Znajek.

L'un des trous noirs supermassifs les plus étudiés et qui possèdent de tels jets est devenu célèbre il y a quelques années puisqu'il s'agit de M87* dont une image montrant l'ombre de son horizon des événements a été révélée par les membres de la collaboration Event Horizon Telescope.

Aujourd'hui, ce sont encore des radioastronomes qui révèlent des aspects cachés de ce trou noir, aspects que l'on pense possédés par d'autres trous noirs dans le cosmos observable. Ainsi en est-il de M87* sous le regard du Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) aux USA comme l'expliquent les membres d'une équipe internationale dans un article publié dans Astrophysical Journal Letters.

Cette image en fausses couleurs du VLA montre un jet dans le domaine radio provenant de la galaxie M87 en utilisant les propriétés de polarisation de la lumière pour tracer les lignes de champ magnétique dans le jet. Ces lignes suivent la structure en double hélice. Une analyse supplémentaire montre que la direction des champs magnétiques est différente sur les bords opposés du jet, soutenant la conclusion que le champ magnétique est hélicoïdal, comme un tire-bouchon. © Pasetto et al., Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Un record de longueur pour une structure magnétique dans un jet

Rappelons que M87* tire son nom de M87 qui est une galaxie elliptique géante située à environ 55 millions d'années-lumière de la Voie lactée de la Terre. M87* contient environ 6,5 masses solaire. La découverte aujourd'hui annoncée est accompagnée d'un communiqué du National Radio Astronomy Observatory, en français Observatoire national de radioastronomie, avec des commentaires des radioastronomes impliqués.

« En réalisant des images VLA de haute qualité à plusieurs longueurs d'onde radio différentes de la galaxie Messier 87 (M87), nous avons pu révéler pour la première fois la structure tridimensionnelle du champ magnétique dans ce jet », explique ainsi Alice Pasetto de l'Université nationale autonome du Mexique, leader de l'équipe, et qui précise que  « le matériau de ce jet trace une double hélice, similaire à la structure de l'ADN ».

« Des champs magnétiques hélicoïdaux sont attendus à proximité du trou noir et sont censés jouer un rôle très important dans la canalisation de la matière dans un jet étroit, mais nous ne nous attendions pas à trouver un champ hélicoïdal aussi puissant s'étendant si loin vers l'extérieur », précise également son collègue José M. Marti, de l'Université de Valence.

Une présentation de la polarisation des ondes lumineuses et de leur utilité pour cartographier des champs magnétiques associés au trou noir M87*. 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 ». © ehtelescope

La lumière polarisée, une clé de l'astrophysique

La structure hélicoïdale du champ magnétique s'étend jusqu'à au moins 3.300 années-lumière, un record de distance  jamais encore observé auparavant dans un jet galactique. Sa structure se révèle par l'effet des champs magnétiques sur la polarisation des ondes radio. L'intensité des champs magnétiques peut aussi se déduire de l'étude de ces émissions de rayonnement électromagnétique. Elles découlent de mouvements de particules chargées produisant ce que l'on appelle le rayonnement synchrotron.

Ce seraient des instabilités dans l'écoulement du plasma de particules qui produiraient des déformations des lignes de champs magnétiques en donnant la structure observée. On a toutes les raisons de penser que ce phénomène n'est pas spécifique au jet de ce trou noir supermassif.

« M87 est relativement proche de nous et son jet est très puissant, ce qui en fait une excellente cible d'étude. Les indices qu'il nous donne peuvent nous aider à comprendre ce phénomène très important et omniprésent dans l'Univers », a déclaré Jose L. Gomez, de l'IAA-CSIC, Grenade.

Une vue d'artiste d'un trou noir supermassif en rotation entouré d'un disque de matière. On voit aussi un jet de particules s'élevant du trou noir. © Nasa

 

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