Trou noir: des astronomes capturent l'image du champ magnétique de M87

Publié par Adrien le 25/03/2021 à 09:00
Source: CNRS
La collaboration Event Horizon Telescope (EHT), qui a produit la toute première image d'un trou noir, vient de révéler en lumière polarisée l'objet massif au centre de la galaxie M87. C'est la première fois que des astronomes mesurent la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...), signature du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...), si près du bord d'un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense...). Ces observations sont essentielles pour expliquer comment la galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de...) M87, située à 55 millions d'années-lumière, est capable de produire des jets énergétiques à partir de son noyau.

L'institut de radioastronomie millimétrique (L'Institut de radioastronomie millimétrique ou Iram a été fondé en 1979. Il est le résultat...) (IRAM), fondé en 1979 par le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) et la Max-Planck-Gesellschaft (MPG, Allemagne), a joué un rôle clé dans ce résultat via son télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...) de 30 mètres, situé près de Grenade, l'antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de...) unique la plus sensible du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) EHT. Les résultats sont publiés dans The Astrophysical Journal Letters.


Image du trou noir supermassif au sein de la galaxie M87 en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) polarisée.

En 2019, la collaboration EHT a publié la première image d'un trou noir. Aujourd'hui, elle présente une nouvelle vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) de cet objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) supermassif au centre de la galaxie M87: sa silhouette en lumière polarisée.

C'est la première fois que les astronomes réussissent à mesurer la polarisation si près du bord du trou noir. Les traits dans l'image représentent l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) de la polarisation, une signature du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique.

© The EHT collaboration

"Nous avons désormais sous les yeux le nouvel élément crucial pour comprendre comment le champ magnétique se comporte autour des trous noirs, et comment l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) dans cette région très compacte de l'espace peut produire de puissants jets qui s'étendent bien au-delà de la galaxie ", déclare Monika Mościbrodzka, coordinatrice du Groupe de travail sur la polarimétrie de l'EHT et professeur assistant à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) Radboud aux Pays-Bas.

Le 10 avril 2019, les scientifiques publiaient la toute première image d'un trou noir, révélant une structure brillante en forme d'anneau avec une région centrale sombre, l'ombre (Une ombre est une zone sombre créée par l'interposition d'un objet opaque (ou seulement...) du trou noir. Depuis, la collaboration EHT a approfondi l'examen des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) sur l'objet supermassif au coeur de la galaxie M87 recueillies en 2017. Ils ont découvert qu'une part importante de la lumière autour du trou noir M87 est polarisée.

"Ce travail est une étape majeure: la polarisation de la lumière contient des informations qui nous permettent de mieux comprendre la physique derrière l'image que nous avons vue en avril 2019, ce qui n'était pas possible auparavant", explique Iván Martí-Vidal, également coordinateur du Groupe de travail sur la polarimétrie de l'EHT et chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) émérite à l'Université de Valence en Espagne. Il ajoute que "produire cette nouvelle image en lumière polarisée a nécessité des années de travail en raison des techniques complexes nécessaires à l'obtention et l'analyse des données ".

La lumière se polarise lorsqu'elle passe à travers certains filtres, comme les verres de lunettes de soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) polarisés, ou lorsqu'elle est émise dans des régions chaudes de l'espace qui sont magnétisées. De la même manière que les lunettes de soleil nous aident à mieux voir en réduisant les reflets et l'éblouissement des surfaces lumineuses, les astronomes peuvent améliorer leur observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) de la région autour du trou noir en regardant comment la lumière qui en provient est polarisée. Plus précisément, la polarisation permet aux astronomes de cartographier les lignes de champ magnétique près du trou noir.

"Les images polarisées récemment publiées sont essentielles pour comprendre comment le champ magnétique permet au trou noir de ''gober'' de la matière et de produire de puissants jets", déclare Andrew Chael de la collaboration EHT, du Princeton Center for Theoretical Science et de la Princeton Gravity Initiative aux États-Unis.

Les jets lumineux d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) et de matière qui émergent du noyau de M87 et s'étendent sur au moins 5 000 années-lumière à partir de son centre sont l'un des phénomènes les plus mystérieux et les plus énergétiques de la galaxie. La majeure partie de la matière se trouvant près d'un trou noir est absorbée. Cependant, certaines des particules environnantes s'échappent quelques instants avant d'être capturées et sont soufflées loin dans l'espace sous la forme de jets.

Les astronomes se sont appuyés sur différents modèles de comportement de la matière aux abords du trou noir pour mieux comprendre ce processus. Mais ils ne savent toujours pas exactement comment des jets plus grands que la galaxie elle-même sont émis depuis sa région centrale, qui est aussi petite que le Système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...), ni comment la matière tombe dans le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson,...). Avec la nouvelle image EHT du trou noir et de son ombre en lumière polarisée, les astronomes ont réussi pour la première fois à examiner la région immédiatement à l'extérieur du trou noir où se produit cette interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) entre la matière absorbée et celle qui est éjectée.

Ces observations fournissent de nouvelles informations sur la structure du champ magnétique aux abords immédiats du trou noir. L'équipe a constaté que seuls les modèles théoriques impliquant un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) fortement magnétisé peuvent expliquer ce que l'on voit près de l'horizon des événements (L'horizon des événements est constitué par la région de l'espace-temps dans laquelle un...).

"Les observations suggèrent que le champ magnétique au bord du trou noir est suffisamment puissant pour repousser le gaz chaud et l'aider à résister à la force de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). Seul le gaz qui passe à travers le champ magnétique peut franchir l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) des événements", explique Jason Dexter, professeur assistant à l'Université du Colorado à Boulder aux États-Unis, et coordinateur du groupe de travail théorique de l'EHT.

Pour observer le coeur de la galaxie M87, la collaboration a relié huit télescopes à travers le monde (Le mot monde peut désigner :), dont le télescope de 30-mètres de l'IRAM situé dans la Sierra Nevada espagnole, l'antenne unique la plus sensible de ce réseau, co-financée par le CNRS, l'interféromètre ALMA et le télescope APEX de l'ESO, dont la France est l'un des états membres, pour créer un télescope virtuel de la taille de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), l'EHT. L'impressionnante résolution obtenue avec l'EHT est équivalente à celle nécessaire pour mesurer la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'une carte de crédit à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du...).

Cela a permis à l'équipe d'observer directement l'ombre du trou noir et l'anneau de lumière qui l'entoure, la nouvelle image en lumière polarisée montrant clairement que l'anneau est magnétisé. Les résultats sont publiés dans deux articles distincts dans The Astrophysical Journal Letters par la collaboration EHT. La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) a impliqué plus de 300 chercheurs de nombreuses organisations et universités du monde entier.

"Le télescope de 30 mètres de l'IRAM joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle clé dans l'EHT et ouvre des perspectives inédites, jusqu'alors inaccessibles et probablement inattendus sur la physique au bord des trous noirs", conclut Frédéric Gueth, chercheur CNRS et directeur adjoint de l'IRAM.

Informations complémentaires

La liste des télescopes du réseau EHT: ALMA, Apex, le télescope de 30 mètres de l'IRAM, le James Clerk Maxwell (James Clerk Maxwell (13 juin 1831 à Édimbourg, en Écosse -...) Telescope, le Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, le Submillimeter Array, le Submillimeter Telescope et le South Pole Telescope.

Les treize instituts partenaires composant le consortium EHT: l'Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, l'Université d'Arizona, l'Université de Chicago (Chicago est une mégapole des États-Unis, située dans la partie nord du Middle West, à...), l'East Asian Observatory, le Goethe-Universitaet de Frankfurt, l'IRAM, le Large Millimeter Telescope, le Max Planck (Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, Allemagne...) Institute for Radio Astronomy, le MIT Haystack servatory, le National Astronomical Observatory of Japan, le Perimeter Institute for Theoretical Physics, Radboud University and the Smithsonian Astrophysical Observatory.

Bibliographie

First M87 Event Horizon Telescope Results VII: polarization of the ring. The EHT collaboration.
The Astrophysical Journal Letters, le 24 mars 2021. https://doi.org/10.3847/2041-8213/abe71d

First M87 Event Horizon Telescope Results VIII: Magnetic Field Structure Near The Event Horizon. The EHT collaboration.
The Astrophysical Journal Letters, le 24 mars 2021. https://doi.org/10.3847/2041-8213/abe4de
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