ALMA sonde le mystère des jets issus des trous noirs géants

ALMA sonde le mystère des jets issus des trous noirs géants

Deux équipes internationales d’astronomes ont utilisé toute la puissance du Vaste Réseau d’Antennes (Sub-)Millimétrique de l’Atacama (ALMA) pour observer les jets en provenance d’énormes trous noirs situés au centre de galaxies et étudier leur impact sur leurs environnements respectifs. L’une de ces équipes a obtenu la meilleure image à ce jour du gaz moléculaire qui entoure un trou noir relativement calme et peu distant ; l’autre équipe a capturé un cliché inattendu de la base d’un puissant jet situé à proximité d’un trou noir distant.

La plupart des galaxies de l’Univers, y compris la nôtre, la Voie Lactée, abritent en leur cœur des trous noirs supermassifs – dont la masse peut atteindre plusieurs milliards de masses solaires. Dans un lointain passé, ces étranges objets étaient très actifs : ils avalaient d’énormes quantités de matière environnante, brillaient avec éclat, et expulsaient de minuscules portions de matière au travers de jets extrêmement puissants. Dans l’Univers actuel, la grande majorité des trous noirs supermassifs sont bien moins actifs qu’ils ne l’étaient au cours de leur prime jeunesse, mais l’interaction entre les jets et l’environnement extérieur continue de façonner l’évolution des galaxies.

Deux nouvelles études, publiées ce jour dans la revue Astronomy & Astrophysics, ont utilisé ALMA pour sonder les jets issus de trous noirs situés à des distances différentes : l’un de ces trous noirs est relativement calme et occupe la proche galaxie NGC 1433 ; l’autre trou noir, très distant et actif, est répertorié sous l’appellation PKS 1830-211.

« ALMA a révélé la surprenante existence d’une structure spirale au sein du nuage moléculaire situé à proximité du centre de NGC 1433 » nous explique Françoise Combes, astronome à l’Observatoire de Paris au LERMA (LERMA -Observatoire de Paris / CNRS /Université Pierre et Marie Curie / Université de Cergy-Pontoise, France), auteur principal du premier article. « Le long de cette structure s’écoule la matière qui alimente le trou noir. Les observations très fines effectuées par ALMA nous ont permis de découvrir un jet de matière s’échappant du trou noir, sur une distance inférieure à 150 années-lumière. Il s’agit là du plus petit écoulement moléculaire jamais observé dans une galaxie extérieure à la nôtre ».

La découverte de cet écoulement, qui est entraîné par le jet issu du trou noir central, montre comment de tels jets peuvent mettre un terme à la formation d’étoiles et réguler la croissance des bulbes centraux des galaxies [1].

Au sein de PKS 1830-211, Ivan Martí-Vidal (Université de Technologie Chalmers, Observatoire Spatial Onsala, Onsala, Suède) et son équipe ont également observé un trou noir supermassif doté d’un jet, mais caractérisé par une brillance bien plus élevée et une activité bien supérieure dans l’Univers jeune [2]. Sa luminosité intense se trouve encore amplifiée par la présence d’une galaxie sur la ligne de visée, et son image est scindée en deux parties par un effet de lentille gravitationnelle, ce qui le rend exceptionnel [3].

Parfois, les trous noirs supermassifs absorbent soudainement une énorme quantité de matière [4], ce qui accroît considérablement la puissance du jet et décale leur rayonnement vers le domaine des très hautes énergies. Par chance, ALMA a capturé l’un de ces événements alors qu’il se produisait au sein de PKS 1830-211.

« L’observation, par ALMA, de ce trou noir en pleine phase d’indigestion, a été purement fortuite. Nous étions en train d’observer PKS 1830-211 pour de toutes autres raisons scientifiques lorsque nous avons noté de subtiles variations de couleur et d’intensité dans les images générées par la lentille gravitationnelle. L’analyse minutieuse de ce comportement inattendu nous a conduit à penser que nous étions en train d’assister, par une chance exceptionnelle, à cette phase durant laquelle de la matière fraîche pénétrait à l’intérieur du trou noir à la base du jet » nous confie Sébastien Muller, l’un des co-auteurs du second article.

L’équipe a par ailleurs cherché à savoir si cet événement d’une violence extrême avait été enregistré par d’autres télescopes ; à sa grande surprise, un signal clair et intense, dans le domaine des rayons gamma, avait effectivement été perçu par le satellite Fermi-LAT. Le processus qui a généré l’augmentation du rayonnement capté par ALMA à des longueurs d’onde élevées était également responsable de l’augmentation soudaine de l’énergie émise par le jet, dans les domaines les plus élevés que l’on puisse rencontrer dans l’Univers [5].

« C’est la toute première fois que nous sommes en mesure d’établir une relation aussi claire entre les rayons gamma et les ondes radio submillimétriques en provenance de la base du jet d’un trou noir », ajoute Sébastien Muller.

Les deux nouvelles observations constituent les prémices des recherches d’ALMA concernant la nature des jets issus de trous noirs supermassifs, tant proches que lointains. L’équipe de Françoise Combes observe déjà d’autres galaxies actives proches à l’aide d’ALMA et PKS 1830-211 fera vraisemblablement l’objet de recherches plus approfondies au moyen d’ALMA et d’autres télescopes.

« La façon dont les trous noirs génèrent des jets de matière et de radiations si intenses reste à approfondir » conclut Ivan Martí-Vidal. « Mais les nouveaux résultats, obtenus avant même qu’ALMA ne soit achevé, démontrent toute l’utilité de ce puissant réseau d’antennes dans la recherche de ces jets – et les découvertes ne font que commencer ! »

Notes

[1] Ce processus, baptisé feedback en anglais, peut expliquer l’étrange relation qui unit la masse d’un trou noir situé au centre d’une galaxie et la masse du bulbe environnant. Le trou noir accrète du gaz et devient plus actif, puis produit des jets qui expulsent le gaz des régions environnantes et met un terme à la formation d’étoiles au sein du bulbe.

[2] PKS 1830-211 est caractérisé par un redshift de 2.5, ce qui signifie que sa lumière a voyagé durant 11 milliards d’années avant de nous parvenir. La lumière qui nous en parvient a été émise lorsque l’Univers était cinq fois plus jeune qu’aujourd’hui. En comparaison, la lumière issue de NGC 1433 a mis 30 millions d’années pour atteindre la Terre, ce qui est très peu à l’échelle de temps galactique.

[3] La théorie de la relativité d’Einstein prévoit que les rayons de lumière sont déviés lorsqu’ils passent à proximité d’un objet massif tel qu’une galaxie. Cet effet se nomme lentille gravitationnelle et, depuis la première découverte en 1979, de nombreuses lentilles gravitationnelles de ce type ont été détectées. La lentille peut créer de multiples images, distordre et amplifier les sources de lumière situées en arrière-plan également.

[4] La matière absorbée peut provenir d’une étoile ou d’un nuage moléculaire. La chute d’un nuage a récemment été observée au centre de la Voie Lactée ( eso1151, eso1332).

[5] Cette énergie est émise sous la forme de rayons gamma, les ondes électromagnétiques dotées de la plus courte longueur d’onde et de la plus haute énergie possible.

Plus d’informations

ESO : http://www.eso.org/public/france/news/eso1344/

Ces projets de recherche font l’objet de deux articles, « ALMA observations of feeding and feedback in nearby Seyfert galaxies: an AGN-driven outflow in NGC1433 », par F. Combes et al. et « Probing the jet base of the blazar PKS 1830−211 from the chromatic variability of its lensed images: Serendipitous ALMA observations of a strong gamma-ray flare », par I. Martí-Vidal et al., à paraître dans la revue Astronomy & Astrophysics.

La première équipe est composée de F. Combes (astronome à l’Observatoire de Paris au Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique – LERMA – Observatoire de Paris / CNRS /Université Pierre et Marie Curie / Université de Cergy-Pontoise- France), S. García-Burillo (Observatoire de Madrid, Espagne), V. Casasola (INAF – Institut de Radioastronomie, Bologne, Italie), L. Hunt (INAF – Observatoire d’Astrophysique d’Arcetri, Florence, Italie), M. Krips (IRAM (CNRS/Max-Planck Gesellschaft/Instituto Geografico National -Saint Martin d’Hères, France), A. J. Baker (Rutgers, Université d’Etat du New Jersey, Piscataway, Etats-Unis), F. Boone (IRAP (CNRS/Université Paul Sabatier Toulouse 3, France), A. Eckart (Université de Cologne, Allemagne), I. Marquez (Institut d’Astrophysique d’Andalousie, Grenade, Espagne), R. Neri (IRAM), E. Schinnerer (Institut Max Planck d’Astronomie, Heidelberg, Allemagne) et L. J. Tacconi (Institut Max Planck dédié à la Physique Extraterrestre, Garching près de Munich, Allemagne).

La seconde équipe est composée de I. Martí-Vidal (Université de Technologie Chalmers, Observatoire Spatial Onsala, Onsala, Suède), S. Muller (Onsala), F. Combes (astronome à l’Observatoire de Paris au Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique – LERMA – Observatoire de Paris / CNRS /Université Pierre et Marie Curie / Université de Cergy-Pontoise- France), S. Aalto (Onsala), A. Beelen (Institut d’Astrophysique Spatiale- IAS – CNRS/Université Paris Sud – France), J. Darling (Université du Colorado, Boulder, Etats-Unis), M. Guélin (IRAM (CNRS/Max-Planck Gesellschaft/Instituto Geografico National ) – Ecole Normale Supérieure- LERMA (Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique – LERMA (Observatoire de Paris / CNRS /Université Pierre et Marie Curie / Université de Cergy-Pontoise)- France), C. Henkel (Institut Max Planck de RadioAstronomie [MPIfR], Bonn, Allemagne; Université du Roi Abdulaziz, Jeddah, Arabie Saoudite), C. Horellou (Onsala), J. M. Marcaide (Université de Valence, Espagne), S. Martín (ESO, Santiago, Chili), K. M. Menten (MPIfR), Dinh-V-Trung (Académie des Sciences et Technologies du Vietnam, Hanoi, Vietnam) et M. Zwaan (ESO, Garching, Allemagne).

Auteur : ESO

Date : 16/10/20132013/10/16

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