L’image d’un trou noir éclaire les mystères de la Voie lactée

La première image du trou noir supermassif de notre Galaxie, publié plus tôt ce mois-civous avez déjà commencé à expliquer certains mystères persistants sur le cœur de la Voie lactée.

La richesse des nouvelles informations sur le trou noir, appelé Sagittaire A *, rejoint de nombreuses autres sources de preuves qui brossent désormais un tableau détaillé du centre galactique. Pris ensemble, les résultats suggèrent que le Sagittaire A* aspire la matière à un rythme lent, ce qui le rend inhabituellement sombre par rapport aux trous noirs centraux d’autres galaxies. Les observations suggèrent également que le Sagittaire A* aurait pu être spectaculairement actif il y a seulement quelques millions d’années. Pendant ce temps, les dernières données soulèvent de nouvelles questions sur certaines des plus grandes structures observées dans et autour de la Voie lactée.

L’image, publiée par la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) le 12 mai, a été le point culminant d’une série de dix articles dans un numéro spécial de Lettres du journal astrophysique1. Mais les données sous-jacentes, recueillies en 2017, contiennent beaucoup plus d’informations que les scientifiques sont encore en train d’examiner, explique Sera Markoff, membre de l’EHT et astrophysicienne théorique à l’Université d’Amsterdam. “C’est comme le paradis” pour les astrophysiciens, dit-elle.

L’image montre un anneau lumineux d’émissions radio entourant une ombre sombre. Cette ombre se situe juste au-delà de l’horizon des événements du trou noir, la sphère intangible qui marque un point de non-retour pour tout ce qui la traverse. L’analyse détaillée des données EHT a maintenant confirmé de nombreux aspects des modèles théoriques et informatiques décrivant comment l’anneau incandescent est produit.

Alors que la matière s’engouffre dans le trou noir à presque la vitesse de la lumière, elle forme un “disque d’accrétion” qui émet un rayonnement à travers le spectre électromagnétique, y compris des ondes radio que les télescopes de l’EHT peuvent détecter. Leurs données montrent que le disque d’accrétion ressemble plus à un beignet gonflé qu’à une crêpe plate. Cette forme grossie signifie que le disque alimente le trou noir en morceaux de matière à un rythme tranquille, ce qui le rend relativement sombre par rapport à d’autres trous noirs plus gourmands.

Voici la première image de Sgr A, le trou noir supermassif au centre de notre galaxie.

La collaboration EHT a publié cette image du trou noir Sagittarius A* plus tôt ce mois-ci.Crédit : EHT Collaboration

Bien que la forme du disque d’accrétion ait répondu aux attentes, de nombreux astrophysiciens ont été surpris que les données de l’EHT montrent le disque “de face”. Cela signifie que son axe de rotation est incliné à moins de 50° de notre ligne de visée depuis la Terre.

Certains scientifiques s’étaient attendus à ce que l’axe de rotation du disque pointe plutôt verticalement, montrant le disque d’accrétion “sur le bord” du point de vue de la Terre. Cette orientation découlerait de l’interaction de trois rotations distinctes : le virage majestueux des bras spiraux de la Galaxie, la chute de matière alimentant le disque d’accrétion et le trou noir lui-même en rotation rapide.

Le Sagittaire A* s’est probablement formé à partir de la fusion de deux trous noirs, lorsqu’une paire de galaxies s’est combinée pour former la Voie lactée. Initialement, la rotation du nouveau trou noir aurait pu pointer dans n’importe quelle direction. Mais au fur et à mesure qu’il grandissait en se nourrissant de poussière et de gaz, l’élan de la matière entrante aurait lentement aligné la rotation du trou noir avec celle de la Galaxie, explique Priya Natarajan, astrophysicienne à l’Université de Yale à New Haven, Connecticut. Parce que la Voie Lactée n’a pas eu de fusion depuis au moins un milliard d’années, les trois rotations devraient être alignées maintenant.

Cependant, les résultats préliminaires de l’EHT ont presque certainement exclu un axe de rotation vertical pour le disque d’accrétion, et peut-être aussi pour le trou noir lui-même. Cela correspond aux observations faites en 2018 par le Very Large Telescope (VLT), une installation sur la montagne Cerro Paranal au Chili, qui a vu des éruptions de matière en orbite très proche de l’horizon des événements du trou noir dans le sens des aiguilles d’une montre, juste là où l’EHT a vu son bague. “Vous pourriez en fait superposer ces deux images”, explique Stefan Gillessen, radioastronome à l’Institut Max Planck de physique extraterrestre à Garching, en Allemagne.

Gillessen et ses collaborateurs ont mené l’étude à l’aide de l’instrument GRAVITY, qui collecte la lumière infrarouge des quatre paraboles de 8 mètres du VLT pour obtenir une résolution comparable à celle d’un seul télescope de 130 mètres de large. Comme l’EHT, GRAVITY a découvert que le disque d’accrétion a une orientation face à face, avec son axe de rotation incliné de 20 à 30° par rapport à notre ligne de visée.

Cette orientation directe est également cohérente avec des décennies d’observations de la structure de la région centrale de la Voie lactée, déclare Jason Dexter, astrophysicien théoricien à l’Université du Colorado à Boulder, membre des collaborations GRAVITY et EHT. Le disque d’accrétion du trou noir est alimenté par la matière provenant des étoiles qui orbitent autour du Sagittaire A* dans un disque d’environ 0,3 parsec (une année-lumière) de diamètre, dit-il. Ainsi, l’orientation du disque d’accrétion devrait correspondre au disque des étoiles, plutôt qu’à la structure à plus grande échelle de la Galaxie, explique Dexter. “Il n’y a pas de problème là-bas – et peut-être aurions-nous dû nous y attendre.”

Les données 2017 de l’EHT ne peuvent pas encore confirmer la rotation dans le sens des aiguilles d’une montre du disque d’accrétion vu par GRAVITY, explique Charles Gammie, membre de la collaboration EHT à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign. Mais l’équipe a recueilli plus de données et pourrait bientôt répondre à cette question. “Les nouvelles observations de 2022 peuvent contenir suffisamment d’informations, surtout si nous pouvons faire un film et voir les structures tourner”, déclare Gammie.

Courants en spirale

En effectuant un zoom arrière depuis le centre de la Galaxie, les astronomes ont précédemment cartographié plusieurs autres structures plus grandes jusqu’à quelques parsecs de diamètre. Il s’agit notamment d’une «mini-spirale» constituée de courants de gaz qui rappellent les bras en spirale de la Voie lactée, mais 10 000 fois plus petits. Il ne semble pas y avoir beaucoup de matière tombant vers l’intérieur de la spirale en ce moment, mais dans le passé, elle aurait pu alimenter le trou noir pendant des périodes d’activité beaucoup plus intense.

Fait intéressant, cette spirale ne s’aligne pas avec le disque d’étoiles autour du Sagittaire A*, ni avec son disque d’accrétion ou avec la Galaxie elle-même. “Le centre même de la Galaxie n’a pas à s’aligner avec le plan de la Galaxie”, explique Markoff. “Vous ne vous attendez pas nécessairement à ce que ce qui se passe très près du trou noir sache quoi que ce soit sur le plan galactique.”

Les modèles, tels que celui de Natarajan, qui prédisent un alignement progressif du spin du trou noir pourraient ne s’appliquer qu’aux galaxies qui fournissent un flux constant de matière au trou noir sur une longue période, explique Andrew King, astrophysicien à l’Université de Leicester, Royaume-Uni. . Cela ne semble pas être le cas pour la Voie lactée, ni pour de nombreuses autres galaxies qui semblent contenir des trous noirs centraux mal alignés. “La raison doit être que le gaz alimentant le trou noir n’est pas dirigé de manière ordonnée, mais se présente dans des épisodes séparés dont les directions sont disposées de manière complètement aléatoire par rapport à l’axe de rotation du trou noir”, explique King.

Ce type d’alimentation chaotique pourrait maintenir le trou noir en rotation à un rythme assez lent, ce qui lui permettrait d’accréter suffisamment de matière pour se développer rapidement. Cela pourrait aider à expliquer comment certains trous noirs sont devenus si grands, si rapidement : certains étaient déjà des milliards de fois plus massifs que le Soleil lorsque l’Univers avait le dixième de son âge actuel.

faire des bulles

Bien que tous ces éléments de preuve semblent s’accorder sur l’orientation du Sagittaire A*, de grandes questions subsistent quant à une éventuelle connexion entre le trou noir et d’autres caractéristiques énormes observées autour du centre de la Galaxie.

En 2010, des astronomes utilisant le télescope spatial Fermi à rayons gamma de la NASA ont cartographié deux énormes lobes de gaz s’étendant directement au-dessus et au-dessous de la région centrale de la Galaxie, chacun mesurant 7 700 parsecs de long. Ces lobes brillent dans les rayons X et sont connus sous le nom de bulles de Fermi. Et en 2020, le télescope à rayons X eROSITA à bord d’une sonde germano-russe détectée des bulles encore plus grosses dans la même région de l’espace.

Une image composite Fermi – eROSITA comparant la morphologie des bulles de rayons γ et de rayons X.

Image composite montrant les bulles de Fermi (rouge) et les bulles détectées par eROSITA (bleu).Crédit : P. Predehl et al./Nature

Les observations suggèrent que ces bulles sont la rémanence des ondes de choc qui ont surgi du centre galactique au cours des 20 derniers millions d’années environ. Une source plausible d’une telle onde de choc pourrait être une explosion d’activité de formation d’étoiles, conduisant à un grand nombre d’explosions stellaires appelées supernovae. Mais un autre suspect majeur est une période d’alimentation intense du Sagittaire A *.

Les chercheurs ont également trouvé des colonnes de gaz incandescentes s’étendant sur plus de 150 parsecs du centre galactique, ce qui pourrait indiquer que le Sagittaire A* a créé les bulles de Fermi. “Comme une cheminée encore chaude à cause de la fumée et de la chaleur qui vient de la traverser, ces cheminées pourraient être une relique de l’écoulement qui a gonflé les bulles de Fermi et d’eROSITA”, explique l’astrophysicien Gabriele Ponti, un collègue de Gillessen à l’Institut Max Planck de Garching.

Mais les bulles semblent être alignées verticalement avec l’axe de la Voie lactée, on ne sait donc pas comment elles pourraient provenir d’un trou noir incliné dans une direction différente. Une possibilité est que les bulles soient le résultat final de nombreuses périodes distinctes d’alimentation intense, chacune crachant de la matière dans une direction différente. “Ce que l’EHT a montré était un instantané. Les bulles de Fermi révèlent une activité sur de très longues périodes », explique Simona Murgia, astronome à l’Université de Californie à Irvine, qui travaille sur la mission Fermi.

Un télescope spatial à rayons X appelé Athena, dont le lancement est prévu par l’Agence spatiale européenne au milieu des années 2030, pourrait aider à régler la question en cartographiant le mouvement du gaz dans les bulles de Fermi, explique Ponti.

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