Nous savons enfin comment les trous noirs produisent la lumière la plus brillante de l’univers : ScienceAlert

Pour quelque chose qui n’émet pas de lumière que nous pouvons détecter, trous noirs adorent se couvrir d’éclat.

En fait, une partie de la lumière la plus brillante de l’Univers provient de trous noirs supermassifs. Eh bien, pas vraiment les trous noirs eux-mêmes ; c’est le matériau qui les entoure alors qu’ils aspirent activement de grandes quantités de matière de leur environnement immédiat.

Parmi les plus brillantes de ces maelströms de matière chaude tourbillonnante se trouvent des galaxies connues sous le nom de blazars. Non seulement ils brillent avec la chaleur d’un manteau tourbillonnant, mais ils canalisent également la matière dans des faisceaux « flamboyants » qui traversent le cosmos, émettant un rayonnement électromagnétique à des énergies difficiles à comprendre.

Les scientifiques ont enfin découvert le mécanisme produisant l’incroyable lumière à haute énergie qui nous parvient il y a des milliards d’années : les chocs dans le trou noir‘s jets qui augmentent la vitesse des particules à des vitesses époustouflantes.

“C’est un mystère vieux de 40 ans que nous avons résolu”, dit l’astronome Yannis Liodakis du Centre Finlandais d’Astronomie avec l’ESO (FINCA). “Nous avons enfin eu toutes les pièces du puzzle, et l’image qu’elles ont faite était claire.”

La plupart des galaxies de l’Univers sont construites autour d’un trou noir supermassif. Ces objets d’une taille époustouflante se trouvent au centre galactique, faisant parfois très peu (comme Sagittaire A*le trou noir au cœur de la Voie lactée) et parfois en faisant beaucoup.

Cette activité consiste à accréter de la matière. Un vaste nuage s’assemble en un disque équatorial autour du trou noir, l’encerclant comme eau autour d’un drain. Les interactions frictionnelles et gravitationnelles en jeu dans l’espace extrême entourant un trou noir provoquent le réchauffement et la brillance de ce matériau sur une gamme de longueurs d’onde. C’est une des sources de lumière d’un trou noir.

L’autre – celui en jeu dans les blazars – sont des jets jumeaux de matière lancés depuis les régions polaires à l’extérieur du trou noir, perpendiculairement au disque. On pense que ces jets sont des matériaux provenant du bord intérieur du disque qui, plutôt que de tomber vers le trou noir, sont accélérés le long des lignes de champ magnétique externes vers les pôles, où ils sont lancés à des vitesses très élevées, proches de la vitesse de la lumière. .

Pour qu’une galaxie soit classée comme un blazar, ces jets doivent être dirigés presque directement vers le spectateur. C’est nous, sur Terre. Grâce à l’accélération extrême des particules, elles rayonnent de lumière sur tout le spectre électromagnétique, y compris les rayons gamma et X à haute énergie.

La manière exacte dont ce jet accélère les particules à des vitesses aussi élevées est un point d’interrogation cosmique géant depuis des décennies. Mais maintenant, un nouveau télescope à rayons X puissant appelé Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), lancé en décembre 2021, a donné aux scientifiques la clé pour résoudre le mystère. C’est le premier télescope spatial qui révèle l’orientation, ou la polarisation, des rayons X.

“Les premières mesures de polarisation des rayons X de cette classe de sources ont permis, pour la première fois, une comparaison directe avec les modèles développés à partir de l’observation d’autres fréquences de lumière, de la radio aux rayons gamma de très haute énergie”, dit l’astronome Immaculate Donnarumma de l’Agence spatiale italienne.

IXPE s’est tourné vers le objet à haute énergie le plus brillant dans notre ciel, un blazar appelé Markarian 501, situé à 460 millions d’années-lumière dans la constellation d’Hercule. Pendant un total de six jours en mars 2022, le télescope a collecté des données sur la lumière à rayons X émise par le jet du blazar.

Une illustration montrant IXPE observant Markarian 501, la lumière perdant de l’énergie à mesure qu’elle s’éloigne du front de choc. (Pablo Garcia/NASA/MSFC)

Dans le même temps, d’autres observatoires mesuraient la lumière à partir d’autres gammes de longueurs d’onde, de la radio à l’optique, qui étaient auparavant les seules données disponibles pour Markarian 501.

L’équipe a rapidement remarqué une curieuse différence dans la lumière des rayons X. Son orientation était significativement plus tordue, ou polarisée, que les longueurs d’onde à faible énergie. Et la lumière optique était plus polarisée que les fréquences radio.

Cependant, la direction de la polarisation était la même pour toutes les longueurs d’onde et alignée avec la direction du jet. L’équipe a découvert que cela est cohérent avec les modèles dans lesquels les chocs dans les jets produisent des ondes de choc qui fournissent une accélération supplémentaire sur la longueur du jet. Au plus près du choc, cette accélération est à son maximum, produisant un rayonnement X. Plus loin le long du jet, les particules perdent de l’énergie, produisant une émission optique puis radio de moindre énergie, avec une polarisation plus faible.

“Lorsque l’onde de choc traverse la région, le champ magnétique devient plus fort et l’énergie des particules augmente”, dit l’astronome Alan Marscher de l’Université de Boston. “L’énergie provient de l’énergie de mouvement du matériau qui produit l’onde de choc.”

On ne sait pas ce qui crée les chocs, mais un mécanisme possible est un matériau plus rapide dans le jet qui rattrape les amas plus lents, entraînant des collisions. Des recherches futures pourraient aider à confirmer cette hypothèse.

Étant donné que les blazars sont parmi les accélérateurs de particules les plus puissants de l’Univers et l’un des meilleurs laboratoires pour comprendre la physique extrême, cette recherche marque une pièce assez importante du puzzle.

Les recherches futures continueront d’observer Markarian 501 et tourneront l’IXPE vers d’autres blazars pour voir si une polarisation similaire peut être détectée.

La recherche a été publiée dans Astronomie naturelle.

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