La collaboration Event Horizon Telescope (EHT) a fait la une des journaux en 2019 en capturant la toute première image directe d’un trou noir au centre de la galaxie. Maintenant, l’EHT est de retour avec une autre percée passionnante : des images du « cœur noir » d’une radiogalaxie connue sous le nom de Centaurus A qui permettent à l’EHT de localiser l’emplacement du trou noir supermassif au centre de la galaxie, selon un nouvel article publié dans la revue Nature Astronomy. L’image capture également la naissance d’un puissant jet émis par le trou noir. Les caractéristiques inhabituelles du jet pourraient aider les astronomes à répondre à quelques questions lancinantes sur la façon dont ces jets sont produits en premier lieu.

« Cela nous permet pour la première fois de voir et d’étudier un jet radio extragalactique à des échelles inférieures à la distance parcourue par la lumière en une journée », a déclaré le co-auteur Michael Janssen, astronome à l’Institut Max Planck de radioastronomie de Bonn et à l’Université Radboud. Nimègue. « Nous voyons de près et personnellement comment un jet monstrueusement gigantesque lancé par un trou noir supermassif est en train de naître. »

Centaurus A (alias NGC 5128) est l’un des objets les plus grands et les plus brillants du ciel nocturne, ce qui le rend particulièrement populaire auprès des astronomes amateurs, bien qu’il ne soit visible que depuis l’hémisphère sud et les basses latitudes nord. Située dans la constellation du Centaure, la galaxie a été découverte en 1826 par James Dunlop. John Herschel a noté sa forme particulière – il semble elliptique vu de la Terre, avec une bande de poussière superposée – en 1847.

En 1949, les astronomes ont identifié Centaurus A comme la première source connue d’ondes radio en dehors de notre propre galaxie de la Voie lactée. C’est parce qu’il possède un noyau galactique actif, produisant des jets puissants qui émettent de la lumière à la fois dans les rayons X et les longueurs d’onde radio, couvrant des distances bien supérieures à la taille de la galaxie elle-même. Centaurus A a été largement étudié depuis lors, dans les régimes radio, optique, rayons X et rayons gamma.

Comme l’a rapporté John Timmer d’Ars en 2019, l’EHT n’est pas un télescope au sens traditionnel du terme. Au lieu de cela, c’est une collection de télescopes dispersés dans le monde entier. L’EHT est créé par interférométrie, qui utilise la lumière capturée à différents endroits pour construire une image avec une résolution similaire à celle d’un télescope de la taille des endroits les plus éloignés. L’interférométrie a été utilisée pour des installations comme ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) où les télescopes peuvent être répartis sur 16 km de désert.

En théorie, il n’y a pas de limite supérieure à la taille de la matrice, mais pour savoir quels photons proviennent en même temps de la source, vous avez besoin d’informations de localisation et de synchronisation très précises sur chacun des sites. Et vous devez toujours rassembler suffisamment de photons pour voir quoi que ce soit. Des horloges atomiques ont donc été installées à de nombreux endroits et des mesures GPS extrêmement précises ont été construites au fil du temps. Pour l’EHT, la grande surface collectrice d’ALMA, combinée au choix d’une longueur d’onde où les trous noirs supermassifs sont très brillants, a assuré des photons suffisants. Le résultat net est un télescope qui peut faire l’équivalent de la lecture de l’année estampée sur une pièce de monnaie à Los Angeles depuis New York, en supposant que la pièce brillait aux longueurs d’onde radio.

L’EHT a annoncé la première image directe jamais prise d’un trou noir au centre d’une galaxie elliptique en 2019, située dans la constellation de la Vierge à quelque 55 millions d’années-lumière : Messier 87 (M87). Cette image aurait été impossible il y a à peine une génération, et elle a été rendue possible par des percées technologiques, de nouveaux algorithmes innovants et (bien sûr) la connexion de plusieurs des meilleurs observatoires radio au monde. L’image a confirmé que l’objet au centre de M87 est bien un trou noir. Pas étonnant que le magazine Science ait nommé l’image sa percée de l’année.

Ce qui manquait encore, c’était un aperçu du processus derrière les puissants biréacteurs produits par M87. La plupart des matières près du bord d’un trou noir – attirées par la forte attraction gravitationnelle du trou noir – y tombent, mais certaines particules peuvent s’échapper et être soufflées via ces jets massifs à une vitesse proche de la lumière. Mais les astronomes ne sont pas encore d’accord sur la façon dont ces jets sont accélérés à des vitesses aussi élevées. Peut-être que le mécanisme est un disque d’accrétion qui produit un champ magnétique, canalisant une partie de cette matière dans un jet. Ou peut-être que l’énergie de rotation du trou noir lorsqu’il tourne est le coupable. Ou peut-être que le mécanisme est une combinaison des deux.

Plus tôt cette année, nous avons annoncé un autre résultat révolutionnaire de la collaboration EHT : une nouvelle image de M87, montrant cette fois à quoi elle ressemble en lumière polarisée. La capacité de mesurer cette polarisation pour la première fois – une signature des champs magnétiques au bord du trou noir – a donné un nouvel aperçu de la façon dont les trous noirs engloutissent la matière et émettent des jets puissants à partir de leurs noyaux. Les observations suggèrent que les champs magnétiques au bord du trou noir sont suffisamment puissants pour repousser le gaz chaud et l’aider à résister à l’attraction de la gravité. Ainsi, seul le gaz qui glisse à travers le champ magnétique peut spiraler vers l’horizon des événements. Les modèles théoriques qui n’intègrent pas cette caractéristique d’un gaz fortement magnétisé ne correspondent pas aux observations de l’EHT et peuvent donc être exclus.

Les nouvelles images de Centaurus A placent encore plus de contraintes autour des différentes théories concurrentes, réduisant encore les possibilités. Selon ces dernières données EHT, les émissions radio forment des lobes massifs émanant de Centaurus A. Mais seuls les bords extérieurs des jets émettent des rayonnements, peut-être en raison de la collision des jets avec le gaz galactique, chauffant ainsi le bord. « Maintenant, nous sommes en mesure d’exclure les modèles de jet théoriques incapables de reproduire cet éclaircissement des bords », a déclaré le co-auteur Matthias Kadler de l’Université de Würzburg en Allemagne. « C’est une caractéristique frappante qui nous aidera à mieux comprendre les jets produits par les trous noirs. »

Les nouvelles observations de Centaurus A sont également intéressantes car le trou noir en son centre est de taille moyenne : 55 millions de fois la masse de notre Soleil. Cela se situe à mi-chemin entre M87 (6,5 milliards de masses solaires) et la masse du trou noir au centre de notre propre galaxie de la Voie lactée (environ 4 millions de masses solaires). Les jets émis par le trou noir du Centaurus A ressemblent à peu près aux images de l’EHT de M87, mais à plus petite échelle. En d’autres termes, le trou noir Centaurus A ne semble pas se comporter différemment de ses frères et sœurs plus grands ou plus petits, ajoutant encore plus de crédibilité à la notion des physiciens selon laquelle ces objets exotiques peuvent être définis uniquement par leur masse, leur charge et leur rotation.

« Ces données proviennent de la même campagne d’observation qui a fourni la célèbre image du trou noir dans M87 », a déclaré le co-auteur Heino Falcke de l’Université Radboud. « Les nouveaux résultats montrent que l’EHT fournit un trésor de données sur la riche variété de trous noirs et qu’il y en a encore plus à venir. » Un jour, la collaboration espère utiliser des télescopes spatiaux pour capturer une image directe du trou noir au centre de Centaurus A, tout comme ils l’ont fait pour M87.

DOI: Nature Astronomy, 2021. 10.1038/s41550-021-01417-w (À propos des DOI).