Le centre de ce trou noir supermassif poussiéreux est entouré par un disque d'accrétion (jaune). Le tore de poussières est représenté en bleu. Deux jets émanent des régions intérieures. © Esa Nasa, Projet AVO et Paolo Padovani

Sciences

Trous noirs supermassifs : l'existence d'un tore de poussières confirmée

ActualitéClassé sous :trou noir , sphère , tore

Le célèbre réseau de radiotélescopes du Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) vient de confirmer une hypothèse avancée il y a plus de 40 ans concernant l'existence d'un grand tore de poussières autour d'un trou noir supermassif. Une confirmation avait déjà été faite il y a quelques années mais cette fois-ci, pour la première fois, c'est dans le cas d'un noyau actif de galaxie particulièrement brillant dans le domaine radio : Cygnus A.

C'est la radioastronomie qui a permis un retour en force de la relativité générale au cours des années 1960 en découvrant d'abord les quasars puis le rayonnement fossile et enfin les pulsars. Des étoiles supermassives ou superdenses nécessairement relativistes semblaient seules capables de rendre compte des observations concernant les quasars et les pulsars. Les analogies entre la formation des trous noirs par effondrement gravitationnel de ces astres et le Big Bang en inversant le sens de l'écoulement du temps allaient conduire John Wheeler, Stephen Hawking et d'autres à développer la théorie des trous noirs. Dès le début des années 1970, plusieurs théoriciens avaient avancé et développé l'hypothèse que bon nombre de galaxies possédaient en leur cœur un trou noir supermassif et que ceux-ci étaient à l'origine de la spectaculaire énergie contenue dans le rayonnement des quasars.

Une vue d'artiste expliquant le modèle unifié des AGN. Dans tous les cas il s'agit d'un trou noir supermassif entouré d'un disque d'accrétion, lui-même bordé par un énorme tore de poussières et de gaz. Des jets de particules sont émis et lorsque l'on observe un AGN parallèlement à l'un de ces jets on obtient un blazar très lumineux. Perpendiculairement, le rayonnement perçu est moins intense et on voit surtout une source radio. Entre les deux, et quand l'activité est très forte, on voit un quasar. © NRAO Outreach

Les progrès de la radioastronomie, depuis ces années-là, ont permis parallèlement de découvrir plus généralement ce que l'on a appelé des noyaux actifs de galaxies (active galactic nucleus en anglais ou AGN). On a fini par comprendre qu'il s'agissait du même objet mais observé sous des angles différents de sorte que quasars, blazars ou encore galaxies de Seyfert ne sont que des trous noirs supermassifs en rotation. C'est-à-dire des trous noirs de Kerr, entourés d'un disque d'accrétion où des processus magnétohydrodynamiques complexes en rapport avec cette rotation produisent du rayonnement et des jets de particules relativistes, qui entrant en collision avec le milieu intergalactique peuvent générer les impressionnants lobes d'émissions radio détectés avec des radiotélescopes.

Un trou noir de 2,5 milliards de masses solaires au cœur de Cygnus A

Un de ces AGN est bien connu et étudié par les radioastronomes, il s'agit de celui associé à Cygnus A : une galaxie elliptique située à environ 76 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Elle est une des sources radio les plus puissantes du ciel, découverte en 1939, par l'un des plus importants pionniers de la radioastronomie naissante Grote Reber. Au début des années 1950, elle fut avec le reste de supernova Cassiopée A (la plus forte source radio du ciel après le Soleil, située à une distance d'environ 11.000 années-lumière du Système solaire) l'une des premières sources radio identifiées à avoir une contrepartie dans le visible.

Une vue prise par drone du Karl G. Jansky Very Large Array (VLA). © NRAO/AUI/NSF

Un groupe de chercheurs anglo-saxons a déposé sur arXiv un article qui fait état de nouvelles observations de Cygnus A à l'aide du célèbre réseau de radiotélescopes du Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) dans la plaine de San Augustin au Nouveau-Mexique (États-Unis). Il est formé de 27 antennes, larges de 25 mètres chacune, qui se déplacent sur des voies de chemin de fer disposées en Y (deux branches de 21 kilomètres et un pied de 19 kilomètres). En faisant de la synthèse d'ouverture, ces paraboles permettent de constituer un instrument virtuel de très grande taille avec une résolution bien plus grande que pour une seule de ces antennes.

Le VLA vient de permettre un zoom sur le trou noir supermassif contenant environ 2,5 milliards de masses solaires de Cygnus A. Ce zoom permet de confirmer des observations déjà faites avec un AGN nettement moins brillant, comme l'expliquait le précédent article ci-dessous. Il existe bien un énorme tore de poussières et de gaz autour du disque d'accrétion des trous noirs supermassifs, comme les astrophysiciens le pensaient depuis le siècle dernier.

Une coupe schématique montrant le trou noir supermassif au cœur de la galaxie elliptique Cygnus A. © Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

En effet, dans le cadre du modèle unifié proposé pour rendre compte des divers AGN par un seul objet, les chercheurs avaient été conduits à postuler, dès 1977, l'existence d'un énorme tore de poussières et de gaz capable d'absorber une partie du rayonnement produit par le moteur central des AGN, c'est-à-dire le disque d'accrétion d'un trou noir géant en rotation.         

Dans le cas de Cygnus A, les observations conduisent à donner un rayon de 900 années-lumière à ce tore de poussières que l'on voit donc directement pour la première fois pour un AGN aussi brillant dans le domaine radio.

Une image radio en fausses couleurs de Cygnus A, son trou noir central et ses jets de matière. Le tore est bien visible ainsi qu'un second trou noir supermassif découvert sous forme de source radio en 2016 (en bas à droite). © Carilli et al., NRAO/AUI/NSF
  • Depuis environ 40 ans, les astrophysiciens ont développé un modèle unifié rendant compte des aspects des différents noyaux actifs de galaxies, des quasars aux blazars en passant par les galaxies de Seyfert.
  • Tous ces objets, y compris les galaxies radio, sont censés être des trous noirs supermassifs au cœur des galaxies accrétant d'énorme quantité de matière en formant des disques d'accrétion entourés de grands tores de poussières et de gaz, le tout alimentant des jets de matière.
  • On commence à avoir des images directes de ces tores de poussières.
Pour en savoir plus

On a enfin vu le tore de poussières autour d'un trou noir galactique

Article de l'INSU publié le 15/10/2015

Grâce aux capacités d'observation inédites de l'instrument européen Sphere, récemment installé sur le grand télescope VLT, une équipe de chercheurs français a, pour la première fois, observé directement la signature d'un tore de poussières au cœur de la galaxie active NGC 1068.

Les galaxies actives représentent une fraction significative de la population des galaxies. Elles possèdent un noyau à la luminosité intense. Cette activité est expliquée par la présence d'un trou noir supermassif (quelques millions à quelques milliards de masses solaires) au sein de ce noyau et par le rayonnement produit lors du processus d'accrétion de la matière autour de ce trou noir.

Pour expliquer la variété des aspects observés de cette activité, le modèle unifié des noyaux actifs de galaxies postule l'existence d'une concentration de gaz et de poussières de forme toroïdale de quelques parsecs (pc) à quelques dizaines de parsecs de rayon, ceinturant le trou noir supermassif et son disque d'accrétion. Jusqu'à présent, seules des preuves indirectes avaient corroboré l'existence de cette concentration dense et opaque de gaz et de poussières.

Image du cœur de NGC 1068 obtenue à partir des observations polarimétriques faites avec Sphere. L’image révèle, en noir, un bicône en forme de sablier et, en blanc, une structure allongée perpendiculaire au bicône. © Lesia, Sphere

De l'imagerie des exoplanètes aux tores des trous noirs supermassifs

À l'été 2014, le chasseur d'exoplanètes Sphere a été installé au Chili, au VLT, et a été mis à la disposition des chercheurs en 2015. Pour détecter de nouvelles exoplanètes, cet instrument est pourvu d'une optique adaptative extrême couplée à diverses modes d'observation. Utilisant plus particulièrement le mode polarimétrique, l'équipe de chercheurs français a obtenu des observations du noyau actif de la galaxie NGC 1068 avec une qualité d'image inégalée. La résolution spatiale obtenue, de 2,5 pc, soit près de 20 fois meilleure que celle offerte sans système correcteur, a ainsi permis de mettre en évidence deux structures particulières au cœur du noyau actif : un double cône en forme de sablier et une structure centrale allongée perpendiculaire à l'axe du double cône.

La première révèle ainsi clairement la région moins dense au sein de laquelle les nuages de gaz sont ionisés par le rayonnement intense issu du trou noir central supermassif. La seconde structure, allongée sur environ 55 pc et d'une épaisseur d'environ 20 pc, serait révélée par la diffusion de la lumière provenant de la source centrale sur la poussière de ce tore. Elle serait ainsi la première observation directe du tore de poussières postulé par le modèle unifié des noyaux actifs de galaxies.

Ces recherches ont été publiées le 23 septembre 2015 dans la revue Astronomy et Astrophysics. Elles ont été menées au sein du Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique, Lesia (CNRS, Observatoire de Paris, université Pierre et Marie Curie, université Paris Diderot).

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