Les champs magnétiques associés aux trous noirs en rotation accrétant de la matière influent sur la façon dont ces trous noirs produisent des jets de particules et avalent la matière tombant sur leur horizon des événements. Après avoir mesuré les champs magnétiques autour du trou noir supermassif de la galaxie M87*, les membres de la collaboration Event Horizon Telescope ont fait de même avec le trou noir central de la Voie lactée. De façon surprenante, car les deux trous noirs ont des masses très différentes, ils ont des champs magnétiques similaires, ce qui suggère une loi universelle pour les trous noirs géants.
au sommaire
On sait que, dès 1964, les grands astrophysiciensastrophysiciens russes Yakov Zel'dovich et Igor Novikov, indépendamment et au même moment que leur collègue Edwin Salpeter aux États-Unis (le directeur de thèse d'Hubert Reeves), avaient proposé que les quasars, et plus généralement les noyaux actifs de galaxiesnoyaux actifs de galaxies, soient des trous noirs supermassifs accrétant de la matière ; en 1971, Donald Lynden-Bell et Martin Rees en proposaient même un au cœur de la Voie lactée. Nous avons toutes les raisons de penser que c'est bien le cas, surtout depuis les découvertes des membres de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) qui, avec un réseau de radiotélescopes à l'échelle de la Terre, ont produit des images montrant l'ombre de l'horizon des événementshorizon des événements des trous noirs M87* et Sgr A*Sgr A*.
Dans le cas aussi bien de M87*M87* que de Sgr A*, on peut se servir de ces trous noirs comme de laboratoires pour tester nos idées sur les trous noirs de Kerrtrous noirs de Kerr en rotation, les disques d'accrétiondisques d'accrétion dont ils s'entourent avec du gazgaz et du plasma chaud, les phénomènes d'électrodynamique et de magnétohydrodynamique dans ce plasma à l'origine de l'émissionémission de jets de particules relativistes en particulier, mais engendrant aussi des champs magnétiqueschamps magnétiques puissants. Ce sont des clés pour comprendre les quasars et leurs rôles dans l'évolution des galaxies.
Il y a quelque temps, les membres de l'EHT avaient réussi à mettre en évidence la présence des champs magnétiques autour de M87* en se basant sur le phénomène de la polarisation de la lumièrelumière. Ils viennent de faire pareil aujourd'hui avec Sgr A* qui est, rappelons-le, le trou noir supermassif d'un peu plus de 4 millions de massesmasses solaires au cœur de la Voie lactée alors que celui de M87* en contient environ 6,5 milliards !
Les deux images soutiennent une théorie de 1977 connue sous le nom de mécanisme de Blandford-Znajek, selon laquelle des trous noirs supermassifs en rotation tordent les champs magnétiques ambiants en une hélice lançant des jets de matière.
Une présentation de la polarisation des ondes lumineuses. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ehtelescope
La polarisation circulaire de la lumière
Mais pour comprendre de quoi il en retourne, la méthode employée pour Sgr A* étant la même que pour M87*, reprenons ce que Futura avait déjà expliqué dans un précédent article et que l'on peut trouver dans les cours de Feynman. Il faut savoir qu'une onde lumineuse peut se décrire comme un champ électriquechamp électrique qui est sous la forme d'une flèche perpendiculaire à la direction de propagation du rayon lumineux associé à cette onde et qui peut osciller comme un poids au bout d'un ressort. On parle alors de polarisation linéaire de la lumière quand la direction de la flèche reste selon une même droite le long de la propagation de l'onde. Une lumière non polarisée serait décrite par une flèche dont la direction, bien que toujours perpendiculaire au rayon lumineux, varie chaotiquement. Lorsque la flèche oscille tout en tournant régulièrement avec son extrémité sur un cercle, on parle de polarisation circulaire.
La lumière émise par un corps chauffé, comme le SoleilSoleil, n'est pas polarisée. Mais, en présence d'un champ magnétique ou plus généralement en interagissant avec certains matériaux, par exemple en se réfléchissant sur du verre ou en traversant une roche tel le spathspath d'Islande, elle le devient. Du coup, mesurer la polarisation d'une onde lumineuse peut apporter de précieux renseignements sur l'état du champ magnétique d'un astreastre, comme justement le Soleil, ou la structure et les propriétés de la matière traversée.
Après avoir acquis la toute première image d’un trou noir, la collaboration de l’Event Horizon Telescope (EHT) avait révélé l’aspect, en lumière polarisée, de l’objet massif situé au centre de la galaxie Messier 87 (M87). C’est la toute première fois que les astronomes pouvaient mesurer la polarisation, une signature des champs magnétiques, à si grande proximité du pourtour d’un trou noir. Cette vidéo en retrace la découverte. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ESO, EHT Collaboration, L. Calçada, Digitized Sky Survey 2, ESA/Hubble, RadioAstron, De Gasperin et al., Kim et al., M. Kornmesser, C. Malin (christophmalin.com) et B. Tafreshi (twanight.org)
La lumière polarisée, une clé de l'astrophysique des trous noirs
C'est pourquoi dans le communiqué de l’ESO annonçant la détection et l'étude des champs magnétiques autour de Sgr A*, l'astrophysicien Angelo Ricarte, membre de la Harvard Black Hole Initiative et co-responsable du projet explique que « l'imagerie de la lumière polarisée émise par les gaz chauds et incandescentsincandescents à proximité des trous noirs nous permet de déduire directement la structure et l'intensité des champs magnétiques qui régissent le flux de gaz et de matière dont se nourrit et qu'éjecte le trou noir. La lumière polarisée nous en apprend beaucoup plus sur l'astrophysiqueastrophysique, les propriétés du gaz et les mécanismes qui interviennent lorsqu'un trou noir se nourrit ».
Sa collègue Sara Issaoun, lauréate de la bourse EinsteinEinstein du programme HubbleHubble de la NasaNasa au Centre d'astrophysique de Harvard et du Smithsonian, aux États-Unis, et coresponsable du projet ajoute : « Ce que nous constatons aujourd'hui, c'est l'existence de champs magnétiques puissants, tordus et organisés à proximité du trou noir situé au centre de la Voie lactée. Outre le fait que Sgr A* présente une structure de polarisation étonnamment similaire à celle observée dans le trou noir M87*, beaucoup plus grand et plus puissant, nous avons appris que des champs magnétiques puissants et structurés sont essentiels pour l'interaction des trous noirs avec le gaz et la matière qui les entourent. »
Roger Blandford et Sara Issaoun nous parlent des trous noirs supermassifs et de leurs jets dans cette vidéo. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Quanta Magazine
Une des leçons que l'on peut tirer des observations en lumière polarisée des lignes de champs magnétiques autour de Sgr A* est bien exposée, toujours dans le communiqué de l'ESOESO, par Mariafelicia De Laurentis, scientifique adjointe du projet EHT et professeur à l'université de Naples Federico II, en Italie : « Avec un échantillon de deux trous noirs - de masses et de galaxies hôtes très différentes - il est important de déterminer ce sur quoi ils coïncident et ce sur quoi ils ne coïncident pas. Le fait que les deux trous noirs nous orientent vers des champs magnétiques puissants suggère qu'il s'agit d'une caractéristique universelle, voire fondamentale, de ce type de systèmes. L'une des similitudes entre ces deux trous noirs pourrait être un jet, mais alors que nous avons pu en imager un très clairement dans M87*, nous n'en avons pas encore trouvé dans Sgr A*. »
Des films de l'activité de Sgr A* et un radiotélescope dans l'espace ?
S'il a fallu autant de temps après la détection des champs magnétiques autour de M87* pour révéler ceux de Sgr A*, tout comme dans le cas des premières simples images des deux trous noirs, c'est que l'environnement de Sgr A* varie plus rapidement que celui de M87*, ce qui complique le traitement des données collectées par les huit télescopestélescopes dans le monde pour créer en les combinant un télescope virtuel de la taille de la Terre, l'EHT.
Il a fallu aussi progresser dans l'instrumentation elle-même pour la rendre plus précise. Le futur s'annonce néanmoins brillant car les chercheurs pensent pouvoir réaliser de véritables films des mouvementsmouvements de la matière autour de Sgr A* comme on peut le constater dans le communiqué de l'ESO qui déclare que « l'EHT a mené plusieurs observations depuis 2017 et devrait à nouveau observer Sgr A* en avril 2024. Chaque année, les images s'améliorent à mesure que l'EHT intègre de nouveaux télescopes, une plus grande bande passantebande passante et de nouvelles fréquencesfréquences d'observation. Les extensions prévues pour la prochaine décennie permettront de réaliser des films haute-fidélité de Sgr A*, de révéler un jet caché et de permettre aux astronomesastronomes d'observer des caractéristiques de polarisation similaires dans d'autres trous noirs. En attendant, l'extension de l'EHT dans l'espace permettrait d'obtenir des images plus nettes que jamais des trous noirs ».
