Image directe d’un trou noir expulsant un jet puissant

La plupart des galaxies abritent un trou noir supermassif en leur centre. Alors que les trous noirs sont connus pour engloutir la matière dans leur voisinage immédiat, ils peuvent également lancer de puissants jets de matière qui s’étendent au-delà des galaxies dans lesquelles ils vivent. Comprendre comment les trous noirs créent des jets aussi énormes est un problème de longue date en astronomie. “Nous savons que des jets sont éjectés de la région entourant les trous noirs”, déclare Ru-Sen Lu de l’Observatoire astronomique de Shanghai en Chine, “mais nous ne comprenons toujours pas entièrement comment cela se produit réellement. Pour étudier cela directement, nous devons observer le l’origine du jet le plus près possible du trou noir.”

La nouvelle image publiée aujourd’hui montre précisément cela pour la première fois : comment la base d’un jet se connecte à la matière tourbillonnant autour d’un trou noir supermassif. La cible est la galaxie M87, située à 55 millions d’années-lumière dans notre voisinage cosmique, et qui abrite un trou noir 6,5 milliards de fois plus massif que le Soleil. Les observations précédentes avaient réussi à imager séparément la région proche du trou noir et du jet, mais c’est la première fois que les deux caractéristiques sont observées ensemble. “Cette nouvelle image complète le tableau en montrant la région autour du trou noir et du jet en même temps”, ajoute Jae-Young Kim de l’Université nationale de Kyungpook en Corée du Sud et de l’Institut Max Planck de radioastronomie en Allemagne.

L’image a été obtenue avec le GMVA, l’ALMA et le GLT, formant un réseau de radiotélescopes autour du globe travaillant ensemble comme un télescope virtuel de la taille de la Terre. Un si grand réseau peut discerner de très petits détails dans la région autour du trou noir de M87.

La nouvelle image montre le jet émergeant près du trou noir, ainsi que ce que les scientifiques appellent l’ombre du trou noir. Lorsque la matière orbite autour du trou noir, elle se réchauffe et émet de la lumière. Le trou noir se plie et capture une partie de cette lumière, créant une structure en forme d’anneau autour du trou noir vu de la Terre. L’obscurité au centre de l’anneau est l’ombre du trou noir, qui a été photographiée pour la première fois par le télescope Event Horizon (EHT) en 2017. Cette nouvelle image et celle de l’EHT combinent des données prises avec plusieurs radiotélescopes dans le monde, mais l’image publié aujourd’hui montre une lumière radio émise à une longueur d’onde plus longue que celle de l’EHT : 3,5 mm au lieu de 1,3 mm. “A cette longueur d’onde, nous pouvons voir comment le jet émerge de l’anneau d’émission autour du trou noir supermassif central”, explique Thomas Krichbaum de l’Institut Max Planck de radioastronomie.

La taille de l’anneau observé par le réseau GMVA est environ 50 % plus grande par rapport à l’image du télescope Event Horizon. “Pour comprendre l’origine physique de l’anneau plus grand et plus épais, nous avons dû utiliser des simulations informatiques pour tester différents scénarios”, explique Keiichi Asada de l’Academia Sinica à Taiwan. Les résultats suggèrent que la nouvelle image révèle plus de matière qui tombe vers le trou noir que ce qui pourrait être observé avec l’EHT.

Ces nouvelles observations du trou noir de M87 ont été menées en 2018 avec le GMVA, composé de 14 radiotélescopes en Europe et en Amérique du Nord [1]. En outre, deux autres installations étaient reliées au GMVA : le télescope du Groenland et ALMA, dont l’ESO est partenaire. ALMA se compose de 66 antennes dans le désert chilien d’Atacama et a joué un rôle clé dans ces observations. Les données recueillies par tous ces télescopes dans le monde sont combinées à l’aide d’une technique appelée interférométrie, qui synchronise les signaux captés par chaque installation individuelle. Mais pour capturer correctement la forme réelle d’un objet astronomique, il est important que les télescopes soient répartis sur toute la Terre. Les télescopes GMVA sont pour la plupart alignés d’est en ouest, de sorte que l’ajout d’ALMA dans l’hémisphère sud s’est avéré essentiel pour capturer cette image du jet et de l’ombre du trou noir de M87. “Grâce à l’emplacement et à la sensibilité d’ALMA, nous avons pu révéler l’ombre du trou noir et voir plus profondément dans l’émission du jet en même temps”, explique Lu.

Les futures observations avec ce réseau de télescopes continueront de découvrir comment les trous noirs supermassifs peuvent lancer de puissants jets. “Nous prévoyons d’observer la région autour du trou noir au centre de M87 à différentes longueurs d’onde radio pour étudier plus avant l’émission du jet”, explique Eduardo Ros de l’Institut Max Planck de radioastronomie. De telles observations simultanées permettraient à l’équipe de démêler les processus compliqués qui se produisent près du trou noir supermassif. “Les années à venir seront passionnantes, car nous pourrons en savoir plus sur ce qui se passe près de l’une des régions les plus mystérieuses de l’Univers”, conclut Ros.