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Galaxie M87 avec le système digestif cosmique

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De nouvelles observations de la spectaculaire galaxie M87 révèlent comment un jet puissant se forme autour d’un monstrueux trou noir contenu à l’intérieur.

Il y a quelques années, l’image d’un beignet orange brillant a fait sensation. Pour la première fois, des chercheurs ont capturé une image du voisinage immédiat d’un trou noir supermassif au centre du galaxie M87

Cette galaxie est connue pour un jet qui accélère la matière loin de la galaxie, entraîné par le trou noir central. Comment exactement le jet est ancré près du trou noir et comment la matière s’écoule dans le jet n’est pas encore entièrement comprise.

Les astronomes, avec la participation de l’Institut Max Planck de radioastronomie, apportent désormais de nouvelles réponses. Avec un réseau de radiotélescopes presque aussi grand que la Terre elle-même, ils utilisent l’exemple de M87 pour rendre visible pour la première fois les flux de matière à l’extrême centre d’une galaxie.

Vue d’artiste du centre d’une galaxie active comme M87. La matière s’écoule le long d’un disque vers le trou noir central, tandis qu’une partie de la matière est accélérée le long d’un jet focalisé. Crédit image : Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

On suppose que l’énorme luminosité et l’activité au centre d’une galaxie comme M87 sont dues à la matière de la zone environnante tombant dans le trou noir au centre de la galaxie.

Cependant, une partie de la matière est également évacuée de cette région via un jet. Dans le cas de la galaxie M87, il y a déjà eu des images séparées du disque de matière le plus interne autour du trou noir central et du jet.

On ne savait pas auparavant comment le jet, qui reste collimaté aux bords de la galaxie, se forme à proximité du trou noir.

L’image qui vient d’être obtenue établit la connexion pour la première fois. « Nous voyons comment le jet émerge de l’anneau autour du trou noir et obtenons de nouvelles informations sur les processus physiques qui donnent naissance au jet », explique Thomas Krichbaum de l’Institut Max Planck de radioastronomie.

Image reconstruite de la région centrale de M87 à partir des données du réseau de télescopes composé du GMVA et d’Alma. La grande image montre un noyau brillant avec le trou noir en son centre. Le jet, reconnaissable à trois filaments, est ancré dans ce noyau et y prend naissance. Un agrandissement du noyau dans la boîte en surbrillance montre la structure annulaire de la matière entourant le trou noir. L’anneau a un diamètre angulaire de 64 microsecondes d’arc, comparable au diamètre d’un projecteur de concert sur la lune vu de la Terre. Crédit image : R. Lu et al, Nature 2023

Un télescope géant fait un travail détaillé

L’équipe de recherche internationale a obtenu l’image en observant la lumière radio à une longueur d’onde de 3,5 millimètres. Cela permet une vue presque dégagée sur les flux de matière radio-brillante qui entourent le trou noir central et qui alimentent le jet.

Vue de la Terre, cette région intérieure apparaît à peu près aussi grande qu’un projecteur de concert sur la Lune, correspondant à un diamètre angulaire de 64 microsecondes d’arc. A une distance de la galaxie d’environ 55 millions d’années lumière, cela correspond à quelques fois le diamètre de notre système solaire.

Afin de résoudre ces structures, qui sont minuscules vues de la Terre, les chercheurs utilisent un réseau de nombreux radiotélescopes. Plus le réseau est grand et plus les télescopes individuels sont éloignés, plus les structures qui peuvent être imagées sont petites.

La longueur d’onde sur laquelle les récepteurs radio sont accordés définit également l’image. Plus la longueur d’onde est courte, plus les structures pouvant être imagées sont fines.

Le composant central du réseau est le Global Millimeter VLBI Array (GMVA), qui couvre l’Europe et l’Amérique du Nord et du Sud avec plus d’une douzaine de télescopes individuels. Pour améliorer la qualité de l’imagerie, l’équipe a également ajouté le Atacama Large Millimetre/Submillimetre Array (Alma) et le Greenland Telescope.

Ce n’est que grâce à la disposition spéciale des télescopes et au choix de la longueur d’onde de 3,5 millimètres que les scientifiques ont pu imager le moteur central de la galaxie et comment la matière s’écoule dans le trou noir et est accélérée vers l’extérieur dans un jet.

Ils ont observé le noyau de la galaxie en avril 2018 et ont mis des années à interpréter les données et à reconstruire l’image.

image 4 Galaxie M87 avec le système digestif cosmique
Image étiquetée du M87 Galaxy. Crédit : NASA/Chandra

« L’image spectaculaire du jet et de l’anneau dans M87 est une étape importante et couronne des années d’efforts de collaboration », déclare Eduardo Ros, scientifique à l’Institut Max Planck de radioastronomie.

L’image du noyau de M87, que les astronomes avaient réussi à obtenir quelques années plus tôt avec une configuration de télescope différente, l’Event Horizon Telescope à une longueur d’onde de 1,3 millimètres, se caractérise par un facteur de zoom encore plus fort. Il montre principalement de la matière dans un anneau relativement étroit à proximité immédiate du trou noir. Cette image en forme de beignet a marqué le trou noir lui-même pour la première fois.

Tracer les frontières de la physique

Pour J. Anton Zensus, directeur de l’Institut Max Planck de radioastronomie, ces succès montrent que les années de développement et d’expansion continue de la technologie de ces réseaux mondiaux de radiotélescopes ont porté leurs fruits. Mais les limites de cette technique d’observation à haute résolution ne sont pas encore atteintes.

De nouveaux récepteurs radio encore plus sensibles du télescope GMVA devraient permettre aux astronomes d’effectuer des mesures plus détaillées. En plus de l’intensité lumineuse, qui a été imagée ici, d’autres propriétés de la lumière radio peuvent également être extraites.

La polarisation, par exemple, imite la structure et la force du champ magnétique sous-jacent qui entoure le trou noir et façonne le jet. La matière qui est visible via son émission radio dans l’image présentée, se déplace le long de ces lignes de champ magnétique invisibles.

Ces techniques de mesure et d’autres permettent d’étudier les processus physiques au voisinage immédiat d’un trou noir, un milliard de fois plus lourd que le soleil, ce qui incarne les limites de la physique.

Galaxie M87 : Faits saillants

  1. La galaxie M87 est également connue sous le nom de Virgo A ou Messier 87. C’était le 87e objet catalogué par l’astronome français Charles Messier.
  2. Il est situé dans la constellation de la Vierge et fait partie de l’amas de galaxies de la Vierge. Il se trouve à environ 53,5 millions d’années-lumière de la Terre.
  3. La galaxie M87 est l’une des plus grandes galaxies de l’univers proche. Il a un diamètre estimé à environ 120 000 années-lumière, ce qui le rend nettement plus grand que notre galaxie de la Voie lactée.
  4. M87 est célèbre pour abriter l’un des trous noirs les plus massifs connus des astronomes. Le trou noir en son centre a une masse d’environ 6,5 milliards de fois celle de notre Soleil et est entouré d’un disque en rotation de gaz chaud et de plasma.
  5. Cette galaxie présente également un jet proéminent de particules de haute énergie émanant de son trou noir central. Le jet s’étend sur 5 000 années-lumière et émet un rayonnement sur diverses longueurs d’onde, y compris les ondes radio, la lumière visible et les rayons X.
  6. M87 est classée comme une galaxie elliptique, ce qui signifie qu’elle a une forme elliptique ou semblable à celle d’un ballon de football. Il lui manque les bras spiraux distincts que l’on voit dans les galaxies spirales comme la Voie lactée.
  7. C’est l’une des galaxies les plus brillantes de l’amas de la Vierge. Il a une magnitude visuelle d’environ 9,6, ce qui le rend visible avec des jumelles ou de petits télescopes dans des conditions favorables.
  8. Comme d’autres galaxies, on pense que M87 est entourée d’un halo de matière noire, une substance mystérieuse qui n’émet pas ou n’interagit pas avec la lumière mais exerce une influence gravitationnelle.
  9. M87 a interagi avec d’autres galaxies de l’amas de la Vierge, entraînant la formation de queues de marée et de distorsions dans ses régions extérieures.
  10. M87 a été largement étudié par le télescope spatial Hubble, fournissant des images et des données détaillées sur sa structure, son jet et son trou noir.

Source: MPG

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