Des astronomes ont produit une image décrivant à la fois la structure d’accrétion et le puissant jet relativiste du trou noir au centre de la galaxie Messier 87. L’image a été générée par le Global Millimeter VLBI Array (GMVA), complété par l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) et le Greenland Telescope (GLT), fournissant une vue panoramique du trou noir et de son jet à une nouvelle longueur d’onde. L’image révèle une structure plus large et plus épaisse ressemblant à un anneau, ce qui indique que la matière tombant dans le trou noir génère une émission observable.
Les scientifiques ont utilisé une nouvelle technologie pour produire une image sans précédent du processus d’accrétion et du jet du trou noir Messier 87. En utilisant le GMVA, l’ALMA et le GLT, ils ont observé une plus grande structure en forme d’anneau et un rayonnement plus large provenant de la région interne du trou noir, ce qui implique l’existence d’un vent sortant. Cette avancée révèle des détails inédits sur les trous noirs.
Une équipe internationale de scientifiques dirigée par le Dr Rusen Lu de l’Observatoire astronomique de Shanghai (SHAO) de l’Académie chinoise des sciences a utilisé de nouvelles observations à longueur d’onde millimétrique pour produire une image qui montre, pour la première fois, à la fois la structure d’accrétion en forme d’anneau autour d’un trou noir, où la matière tombe dans le trou noir, et le puissant jet relativiste associé au trou noir. La source des images est le trou noir central de la radio galaxie Messier 87.
L’étude a été publiée récemment dans la revue Nature.
L’image souligne pour la première fois le lien entre le flux d’accrétion près du trou noir supermassif central et l’origine du jet. Les nouvelles observations ont été obtenues avec le Global Millimeter VLBI Array (GMVA), complété par le Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) et le Greenland Telescope (GLT). L’ajout de ces deux observatoires a considérablement amélioré les capacités d’imagerie du GMVA.
Image millimétrique-VLBI du jet et du trou noir de Messier 87, obtenue avec le réseau GMVA plus ALMA et le télescope du Groenland. Crédit : R.-S. Lu (SHAO), E. Ros (MPIfR), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)
« Auparavant, nous avions vu le trou noir et le jet dans des images séparées, mais nous avons maintenant pris une image panoramique du trou noir et de son jet à une nouvelle longueur d’onde », a déclaré M. Lu.
On pense que la matière environnante tombe dans le trou noir selon un processus connu sous le nom d’accrétion. Mais personne n’avait jamais pris d’images directes de ce phénomène.
Selon Lu, l’anneau observé auparavant devenait plus grand et plus épais à la longueur d’onde d’observation de 3,5 mm. « Cela montre que la matière tombant dans le trou noir produit une émission supplémentaire qui est maintenant observée dans la nouvelle image. Cela nous donne une vision plus complète des processus physiques agissant à proximité du trou noir », a déclaré M. Lu.
La participation de l’ALMA et du GLT aux observations du GMVA et l’augmentation de la résolution et de la sensibilité de ce réseau intercontinental de télescopes ont permis d’obtenir une image de la structure annulaire de M87 pour la première fois à la longueur d’onde de 3,5 mm. Le diamètre de l’anneau mesuré par le GMVA est de 64 microarcsecondes, ce qui correspond à la taille d’un petit anneau lumineux de selfie (5 pouces/13 cm) sur Terre, vu par un astronaute sur la Lune. Ce diamètre est 50 % plus grand que celui observé par le télescope Event Horizon à 1,3 mm, conformément aux attentes concernant l’émission de plasma relativiste dans cette région.
Carte des radiotélescopes utilisés pour imager Messier 87 à 3,5 millimètres lors de la campagne 2018 du Global Millimetre VLBI Array (GMVA). Crédit : Helge Rottmann, MPIfR
« Grâce aux capacités d’imagerie grandement améliorées par l’ajout d’ALMA et de GLT dans les observations GMVA, nous avons acquis une nouvelle perspective. Nous voyons en effet le jet à triple crête que nous connaissions grâce aux observations VLBI précédentes », a déclaré Thomas Krichbaum de l’Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) à Bonn. « Mais maintenant, nous pouvons voir comment le jet émerge de l’anneau d’émission autour du trou noir supermassif central et nous pouvons mesurer le diamètre de l’anneau à une autre longueur d’onde (plus grande).
La lumière de M87 est produite par l’interaction entre des électrons hautement énergétiques et des champs magnétiques, un phénomène appelé rayonnement synchrotron. Les nouvelles observations, à une longueur d’onde de 3,5 mm, révèlent plus de détails sur la localisation et l’énergie de ces électrons. Elles nous renseignent également sur la nature du trou noir lui-même : Il n’est pas très gourmand. Il consomme la matière à un faible rythme et n’en convertit qu’une petite partie en rayonnement.
Selon Keiichi Asada, de l’Institut d’astronomie et d’astrophysique de l’Academia Sinica, « pour comprendre l’origine physique de l’anneau plus grand et plus épais, nous avons dû utiliser des simulations informatiques pour tester différents scénarios. Nous en avons conclu que l’extension de l’anneau est associée au flux d’accrétion ».
Kazuhiro Hada, de l’Observatoire astronomique national du Japon, a noté que l’équipe a également trouvé quelque chose de « surprenant » dans ses données. « Le rayonnement de la région interne proche du trou noir est plus large que ce à quoi nous nous attendions. Cela pourrait signifier qu’il n’y a pas que du gaz qui tombe à l’intérieur. Il pourrait également y avoir un vent qui souffle, provoquant des turbulences et un chaos autour du trou noir », a déclaré M. Hada.
La quête pour en savoir plus sur Messier 87 n’est pas terminée, car d’autres observations et une flotte de télescopes puissants continuent de percer ses secrets. « Les futures observations aux longueurs d’onde millimétriques permettront d’étudier l’évolution temporelle du trou noir M87 et de fournir une vue polychromatique du trou noir avec de multiples images en couleur en