Une équipe internationale d'astronomes, à laquelle participent deux chercheurs CNRS (1), vient de dévoiler de nouvelles données sur l'environnement immédiat d'un des plus brillants trous noirs supermassifs connus. Les scientifiques ont découvert l'existence d'une couronne de gaz très chaude, d'une dizaine de millions de degrés, gravitant à proximité de ce trou noir. Ils ont également mis en évidence la présence de vents puissants formés de nuages de gaz denses et froids, eux-mêmes pris dans un gaz plus diffus et plus chaud. Selon les astronomes, ces vents sont éjectés loin du trou noir et du centre de la galaxie à des vitesses dépassant les 700 km/s. Obtenus grâce à cinq télescopes spatiaux, principalement XMM-Newton et INTEGRAL de l'ESA (2), ces résultats font déjà l'objet de sept articles publiés à partir du 29 septembre dans la revue Astronomy & Astrophysics. Ils permettent de mieux interpréter les observations obtenues pour d'autres « galaxies à trou noir supermassif ».
Des trous noirs supermassifs de plusieurs centaines de millions de masses solaires résident au centre de la plupart des galaxies massives. Contrairement à ce que l'on pourrait croire, ils n'absorbent pas toute la matière (gaz et poussières) qui les entoure. Gaz et poussières chutent vers le trou noir en formant généralement un disque, en rotation autour de celui-ci. Cette chute s'accompagne de la libération d'une quantité prodigieuse de rayonnement, principalement ultraviolet et X. Cette émission est parfois si forte qu'elle arrive à repousser une partie de la matière loin du trou noir, sous la forme de vents pouvant atteindre des vitesses de plusieurs centaines de km/s. Mais, l'environnement des trous noirs supermassifs demeure mal connu à ce jour : quelle matière constitue les abords d'un tel trou noir ?, où et comment se créent les flots de matière observés à proximité ?
Une équipe internationale d'astrophysiciens est parvenue à observer, cartographier et caractériser, avec une précision jusqu'à présent inégalée, l'environnement de l'un des plus brillants trous noirs supermassifs connus, situé au cœur de la galaxie lointaine Markarian 509. Pour obtenir cette vue sans précédent des régions centrales de Mkn 509, les chercheurs se sont appuyés sur cinq grands télescopes spatiaux. Temps fort de la campagne réalisée fin 2009 : l'observation répétée et simultanée pendant 6 semaines par les satellites de l'ESA, XMM-Newton et INTEGRAL, du rayonnement des domaines visible à gamma, émis par Mkn 509 (3).
Gaz et poussières autour d'un trou noir. Si une partie de cette matière est attirée et sera, finalement, "avalée" par le trou noir, une autre est éjectée au loin, sous forme de vents.
© NASA/CXC/M.Weiss
Une couronne chaude, comme convertisseur d'énergie
Premier résultat : ce trou noir supermassif, d'une masse de 300 millions de fois celle du Soleil, est entouré d'un disque de gaz rayonnant dans l'ultraviolet (4). Les chercheurs ont observé la présence d'un gaz très chaud (de quelques millions de degrés celsius) formant une couronne qui graviterait au-dessus du disque. Cette couronne absorberait le rayonnement ultraviolet pour le réémettre à plus haute énergie, dans le domaine des rayons X de faible énergie (rayonnement cependant plusieurs centaines de fois plus énergétique que la lumière visible). La découverte de l'existence de cette couronne très chaude permet aux chercheurs de mieux comprendre les observations obtenues pour d'autres galaxies actives (abritant un trou noir supermassif en leur centre), jusqu'à présent difficiles à interpréter.
Des nuages de gaz denses et froids
Pour la première fois, les scientifiques ont démontré que les vents de matière expulsés du cœur de Mkn 509 étaient constitués d'au moins cinq composantes distinctes, dont les températures s'échelonnent entre 20 000 et 1 million de degrés celsius. Ils ont également mis en évidence que la majorité du gaz présent dans ces vents provient de régions situées à 15 années-lumière environ du trou noir central. Ces vents sont constitués de nuages de gaz denses et froids, baignant dans un gaz plus diffus et plus chaud.
Des signes de collisions entre galaxies
Les chercheurs ont également obtenu des informations sur le gaz interstellaire constituant la galaxie hôte, Mkn 509. Ce gaz est fortement ionisé par l'émission de rayons X provenant de la source X centrale : les atomes sont dépouillés d'une partie, voire de tous leurs électrons lorsqu'ils sont irradiés par une puissante source de rayonnement X. La présence de ce gaz à plusieurs centaines de milliers d'années-lumière du trou noir central a ainsi été mise en évidence. Tombant à une vitesse de quelques centaines de km/s sur Mkn 509, ce gaz pourrait provenir d'une collision passée entre cette galaxie et une galaxie plus petite, collision qui pourrait être responsable de l'activité actuelle de Mkn 509.
Ce consortium rassemble 26 astrophysiciens issus de 21 organismes du monde entier : Jelle Kaastra, Elisa Costantini, Rob Detmers, Jacobo Ebrero, Peter Jonker, Ciro Pinto, Eva Ratti, Cor de Vries de l'Institut néerlandais pour la recherche spatiale (SRON) ; Pierre-Olivier Petrucci, , chercheur CNRS à l'Institut de planétologie et astrophysique de Grenoble (CNRS/Université Joseph Fourier) en France ; Massimo Cappi, Mauro Dadina (INAF-IASF Bolognam Italy); Nahum Arav (Virginia Tech, USA) ; Ehud Behar (Technion, Israel) ; Stefano Bianchi (Roma Tre, Italy) ; Josh Bloom, Chris Klein (Berkeley, USA); Alex Blustin (University of Cambridge, UK); Graziella Branduardi-Raymont, Missagh Mehdipour, Rebecca Smith (UCL, UK); Jerry Kriss (STSI & Johns Hopkins University, USA) ; Piotr Lubinski (Torun, Poland) ; Julien Malzac, chercheur CNRS à l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie (CNRS/Université Paul Sabatier) en France ; Stéphane Paltani (ISDC Geneva, Switzerland) ; Gabriele Ponti (Southampton, UK) et Katrien Steenbrugge (UCN, Chile & University of Oxford, UK).
Notes:
(1) En France, les deux laboratoires impliqués sont l'Institut de planétologie et astrophysique de Grenoble (CNRS/Université Joseph Fourier) et l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie (CNRS/Université Paul Sabatier).
(2) Agence spatiale européenne
(3) Le spectromètre LETG du satellite X Chandra de la NASA, ainsi que par le spectromètre COS du télescope spatial Hubble ont complétés ces observations. Le satellite X Swift a également été utilisé en amont et en aval afin de suivre le comportement de la source avant et après la campagne.
(4) Rayonnement un peu plus énergétique que la lumière visible, mais beaucoup moins énergétique que les rayons X
Référence:
Les premiers résultats de cette campagne seront publiés dans une série de 7 articles dans la revue Astronomy & Astrophysics publiés à partir du 29 septembre 2011. D'autres papiers sont en préparation.
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