Champ magnétique pris en filature pour cerner les mystérieuses manies des trous noirs

La collaboration EHT revient à la charge pour la troisième année consécutive avec un succès fulgurant. Pour la première fois une cartographie de la matière en lumière polarisée a été dressée non loin du bord externe d’un trou noir.

Trois zooms successifs du noyau de M87, en lumière polarisée de fréquence radio (fausses couleurs). En haut, la galaxie est prise dans sa totalité par le télescope Hubble en optique. Les deux images suivantes révèlent le jet de matière relativiste tandis que la dernière échelle correspond au trou noir supermassif M87*. Les lignes identifiables sur les images représentent l’orientation de la polarisation, soit la signature de la structure du champ magnétique. © HST/ALMA/VLBA/ESO/EHT Collaboration/NASA/ESA. 

 La campagne d’observation de quatre jours réalisée en 2017 par l’Event Horizon Telescope (EHT), dans le domaine radio, a fourni une telle quantité de données qu’elles continuent d’être traitées aujourd’hui encore. Avec ces relevés, les astrophysiciens espèrent saisir la manière dont les trous noirs (TN) régulent l’engloutissement du gaz en périphérie et, pour certains d’entre eux, comprendre le mécanisme physique à l’origine de la production de puissants jets de plasma (i.e. le quatrième état de la matière vu comme une « soupe » d’électrons et d’ions).

M87* maintient son titre de miss univers aux yeux émerveillés des astronomes 

Au centre de la galaxie M87, un TN supermassif appelé M87* s’y loge et se délecte activement de la plupart du gaz disponible à proximité. Toutefois, une partie du plasma parvient à s’échapper du destin funeste qui lui est réservé par l’ogre cosmique. Celle-ci se voit plutôt capturée par un énigmatique champ magnétique (champ B) présent dans le disque de matière entourant le TN (i.e. disque d’accrétion), avant d’être soufflée sur des distances vertigineuses sous la forme d’un geyser (c.f. Image 2). 

Infographie (à gauche) montrant les différentes composantes de la galaxie M87 – jets relativistes, disque d’accrétion, trou noir. © C. Bickel/Science Magazine. Comparaison de l’ombre du trou noir  – i.e. la région centrale sombre délimitée par le cercle lumineux – attendue par les simulations théoriques (à droite) avec l’image publiée le 10 avril 2019 par l’EHT. © Michael D. Johnson & George Wong/EHT Collaboration. 

Bien que la réponse au « comment » demeure incertaine, le champ B identifié à quelques pas astronomiques seulement de la frontière de non-retour du TN (i.e. horizon des événements), joue sans nul doute un rôle fondamental dans le processus d’émission de jets. La nouvelle image (c.f. Image 1) diffusée par la collaboration internationale montre que l’anneau de photons qui entoure M87* est fortement magnétisé. Après un examen approfondi, les conclusions tirées ont été communiquées à la communauté scientifique le 24 mars 2021, dans la revue The Astrophysical Journal Letters, dans deux articles distincts : le premier s’attarde sur la description de la polarisation de l’anneau lumineux, tandis que le second se concentre sur la structure du champ B près de l’horizon des événements

Remonter au champ magnétique du trou noir grâce à la polarisation de la lumière 

La lumière est une onde électromagnétique se composant donc simultanément d’un champ électrique et d’un champ B qui oscillent dans des directions perpendiculaires suivant un axe de propagation (c.f. Image 3). Par convention, la polarisation consiste en la direction de l’oscillation du champ électrique seul associé à la lumière étudiée.

A gauche : Onde lumineuse polarisée linéairement car le champ électrique est toujours vertical. © Science-questions. A droite : Différentes orientations pour le champ électrique émis par une source lumineuse induisent une onde non polarisée. © Baumer. 

Durant la propagation d’une lumière naturelle – comme celle émise par le Soleil ou une lampe à incandescence – la direction de son champ électrique varie généralement de façon aléatoire ; l’onde est alors qualifiée de non polarisée. Dans le cas où le champ électrique conserve a contrario une orientation constante dans le plan perpendiculaire à sa direction de propagation, la vibration lumineuse est alors qualifiée de polarisée.

En particulier, la lumière émise depuis des régions chaudes et magnétisées comme au niveau de M87* est alors polarisée. Or les lois de la physique nous informent que la composante champ électrique d’une onde lumineuse est influencée par la direction et l’intensité du champ B environnant. Par conséquent, le signal dit polarisé venant du cœur de la galaxie M87, capté par les radiotélescopes combinés sur Terre, permet d’estimer l’allure des lignes de champ B.

Le fruit d’un travail minutieux et d’une patience exemplaire  

Deux années après le dévoilement visuel de M87*, l’analyse démontre que le champ B aux abords s’avère suffisamment puissant pour, en effet, repousser une partie du gaz chaud et donc l’aider à contrer l’attraction gravitationnelle de la source compacte. À l’issue des comparaisons entre les simulations théoriques et la structure polarisée résolue par l’EHT, les chercheurs ont déduit que l’intensité du champ B vaut entre 1 et 30 Gauss

À gauche : image reconstruite de M87* où l’échelle en fausses couleurs indique l’intensité spécifique lumineuse totale renvoyée par le plasma autour du trou noir. Au centre : superposée à la carte de la température en arrière plan avec le code couleur gris à noir, la cartographie des lignes de polarisation indiquant la position du champ électrique aux abords de M87*. La longueur des traits est proportionnelle à l’amplitude du flux de polarisation, et leur gamme de couleur quantifie à quel point la polarisation de la lumière est de type linéaire. À droite : cartographie de l'orientation de la polarisation de la lumière émise symbolisée par des lignes au voisinage de l'ombre du trou noir. © EHT Collaboration  

 L’imagerie réalisée par l’EHT “progresse rapidement, et ce grâce à des améliorations technologiques apportées au réseau ainsi que par l’ajout de nouveaux observatoires. Nous nous attendons à ce que les futures observations de l’EHT révèlent avec plus de précision la morphologie du champ magnétique autour du trou noir et nous en apprennent davantage sur la physique du gaz chaud » à l’endroit du lancement du jet, près de l’horizon des événements de M87*, conclut Jongho Park dans le communiqué de presse officiel délivré par la collaboration EHT.

Margaux ABELLO

(@MargauxAbello)

Couverture : Représentation artistique de la galaxie M87 accompagnée de l’émission du jet relativiste depuis le cœur. © M. Kornmesser/ESO

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Sources : 

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