Découvert : le vent manquant du trou noir de la Voie lactée

La chasse est terminée. Après plus de 50 ans de recherche, des astrophysiciens de l’Université Northwestern ont enfin découvert la preuve d’un puissant vent soufflant du trou noir supermassif central de la Voie lactée, Sagittarius A* (Sgr A*).

Selon la physique théorique et une compréhension largement acceptée de l’évolution des galaxies, lorsque les trous noirs consomment de la matière, ils devraient produire des vents ou des jets. Même une petite quantité de gaz tombant dans un trou noir devrait générer suffisamment d’énergie pour repousser la matière vers l’extérieur. Sans vent, Sgr A* serait une exception unique.

Mais jusqu’à présent, personne n’avait pu le trouver.

En offrant la vue la plus détaillée à ce jour de la façon dont Sgr A* interagit avec et transforme son environnement, les scientifiques ont résolu l’un des mystères les plus tenaces de l’astronomie. Cela ouvre également une nouvelle fenêtre sur la physique en jeu au centre de la Voie lactée.

« À moins qu’un trou noir n’existe dans un vide parfait, il doit d’une manière ou d’une autre souffler un vent », a déclaré Mark Gorski de Northwestern, qui a co-dirigé l’étude. « Et il n’y a pas de vide parfait dans l’univers. Grâce à de nouvelles observations, c’est la première fois que nous avons une vue assez nette pour voir l’empreinte du vent. Nous avons regardé les données et nous avons dit : « Le voilà. C’est la chose que tout le monde cherche depuis 50 ans. »

« Nous avons été les premiers à montrer que du gaz moléculaire très, très proche du trou noir l’alimente », a déclaré Elena Murchikova, qui a co-dirigé l’étude avec Gorski. « Le vent n’est pas puissant, et sa direction vagabonde probablement avec le temps. Cela montre que notre trou noir n’est pas unique, et que notre place dans l’univers n’est pas unique. »

Spécialiste de l’évolution des galaxies, Gorski est professeur assistant de recherche au Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) de Northwestern. Experte en astrophysique des trous noirs, Murchikova est professeure assistante de physique et d’astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre du CIERA.

Le vent insaisissable au cœur de la galaxie

Bien que les trous noirs soient tristement célèbres pour avaler tout ce qui s’approche trop près, ils ne se contentent pas d’aspirer la matière. Ils repoussent également la matière. Pendant des décennies, les théoriciens ont prédit que tous les trous noirs actifs produisent des écoulements puissants. À mesure que la matière tourbillonne vers l’intérieur d’un trou noir, elle se déplace de plus en plus vite – jusqu’à atteindre près de la vitesse de la lumière. Cela crée suffisamment d’énergie et de pression pour projeter une partie de la matière chaude et rapide vers l’extérieur sous forme de vents ou de jets.

Si les astronomes ont repéré des preuves d’éruptions passées de Sgr A*, ils ont eu du mal à détecter les écoulements actuels. L’équipe de Northwestern affirme que cela est probablement dû au fait que Sgr A* est dans une phase plus calme et tout simplement incroyablement difficile à voir.

« Pour observer notre propre trou noir, nous devons regarder à travers le plan de notre galaxie », a expliqué Murchikova. « Cela signifie que nous devons scruter à travers le gaz, la poussière et les structures ionisées, et on ne peut pas vraiment voir à travers tout cela facilement. »

Une cavité en forme de cône

Maintenant, avec de nouveaux outils et observations, l’équipe a enfin pu y regarder de plus près. En utilisant cinq ans d’observations exceptionnellement profondes du réseau de radiotélescopes Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) au Chili, Gorski et Murchikova ont construit l’image la plus nette jamais conçue du gaz moléculaire froid entourant le trou noir.

L’image reflétait le gaz situé incroyablement près de Sgr A* – à seulement un parsec (soit environ trois années-lumière) du trou noir. Ensuite, le duo a appliqué une méthode de calibration pour supprimer les signaux radio brillants du trou noir. L’image obtenue est 100 fois plus profonde et 80 fois plus nette que les cartes précédentes de la région. Avec ce niveau de détail, elle a révélé des structures complètement invisibles dans les observations précédentes.

Mais une caractéristique nouvellement révélée, indubitable, a stupéfié Gorski et Murchikova. Une vaste cavité en forme de cône – longue de près d’un parsec et large de 45 degrés – était dépourvue de gaz moléculaire froid. Selon les chercheurs, seul un vent chaud et énergétique soufflant de Sgr A* aurait pu créer cette région creusée. Partout où le vent chaud se déplace, il balaie le gaz froid ou le réchauffe.

« Si vous soufflez de la matière chaude depuis le trou noir, elle ne va pas vouloir coexister avec la matière froide », a déclaré Gorski. « Elle va soit repousser la matière froide, soit la réchauffer. Et si elle est trop chaude, vous ne verrez plus le gaz froid. »

Des affirmations exceptionnelles, des preuves exceptionnelles

Bien que les étoiles aussi créent des vents, les vents stellaires ne sont pas assez puissants pour creuser une région aussi proprement balayée de cette taille. Même la puissance combinée de toutes les étoiles proches est insuffisante.

« C’est une énorme absence de matière », a déclaré Gorski. « Nous avons calculé l’énergie nécessaire pour créer cette cavité. Elle est supérieure à ce que les étoiles de cette zone peuvent fournir. Fondamentalement, il doit y avoir un apport du trou noir supermassif. Et si vous suivez la forme du cône, il pointe directement vers le trou noir. »

Avant de déclarer avoir résolu un mystère de longue date, Gorski et Murchikova ont continué à analyser les données pour confirmer davantage leurs résultats. L’observatoire de rayons X Chandra de la NASA avait précédemment localisé des émissions de rayons X brillants dans la même région exacte. Au même endroit que les rayons X brillants, une région creuse en forme de cône est apparue là où le gaz froid manquait.

« Des affirmations exceptionnelles nécessitent des preuves exceptionnelles », a déclaré Gorski. « Nous voulions nous assurer que nous ne regardions pas simplement une sorte d’artefact d’imagerie. Ensuite, l’image radiographique de Chandra s’est parfaitement insérée. Les caractéristiques moléculaires se sont alignées. »

« Quand vous trouvez quelque chose que personne n’a jamais vu avant, la première pensée qui vous traverse l’esprit n’est pas « Oh mon Dieu, nous avons fait une découverte » », a déclaré Murchikova. « C’est « Oh mon Dieu, qu’est-ce qui cloche dans mon analyse ? » Mais quand nous avons superposé notre image avec l’image radiographique, cela a commencé à prendre sens. »

Une phase calme de la vie

En se basant sur la distance à laquelle ses effets s’étendent dans un flux voisin de gaz ionisé, les astrophysiciens estiment que le vent est actif depuis au moins 20 000 ans. La découverte confirme également que Sgr A* est relativement calme par rapport aux trous noirs supermassifs centraux d’autres galaxies.

« La majorité des autres galaxies passent la majeure partie de leur vie dans un état où elles ne sont pas particulièrement actives », a déclaré Murchikova. « Mais nous ne pouvons les voir que lorsqu’elles sont en phase de feux d’artifice. Il est très attrayant d’étudier les trous noirs lorsqu’ils sont en phase de feux d’artifice, mais ce n’est en fait pas leur état dominant. Sgr A* nous offre enfin une fenêtre sur la vie d’un trou noir dans cet état calme. »

Article : The discovery of a large active wind from the Milky Way’s central black hole – Journal : The Astrophysical Journal Letters – Méthode : Observational study

Source : NorthWestern U.