Cette illustration de la NASA montre la structure du jet d’un trou noir, telle qu’elle a été déduite des récentes observations du blazar Markarian 421 par l’Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE). Le jet est alimenté par un disque d’accrétion, représenté en bas de l’image, qui orbite et tombe dans le trou noir au fil du temps. Des champs magnétiques hélicoïdaux traversent le jet. Les observations de l’IXPE ont montré que les rayons X doivent être générés par un choc provenant de la matière qui tourne en spirale autour des champs magnétiques hélicoïdaux. L’encadré montre le front du choc lui-même. Les rayons X sont générés dans la région blanche la plus proche du front de choc, alors que les émissions optiques et radio doivent provenir de régions plus turbulentes, plus éloignées du choc. Crédit : NASA/Pablo Garcia
L’univers regorge de trous noirs supermassifs puissants qui génèrent de puissants jets de particules à haute énergie, créant ainsi des sources de luminosité extrême dans l’immensité de l’espace. Lorsque l’un de ces jets pointe directement vers la Terre, les scientifiques appellent le système de trous noirs un blazar.
Pour comprendre pourquoi les particules du jet se déplacent à grande vitesse et avec une grande énergie, les scientifiques se tournent vers l’IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) de la NASA, qui a été lancé en décembre 2021. Cet outil de pointe mesure une propriété unique de la lumière des rayons X, connue sous le nom de polarisation, qui se rapporte à l’arrangement des ondes électromagnétiques aux fréquences des rayons X.
Sommaire
Un nouveau regard sur Markarian 421
Cette semaine, une équipe internationale d’astrophysiciens a publié de nouvelles découvertes de l’IXPE concernant un blazar appelé Markarian 421. Situé dans la constellation de la Grande Ourse, à environ 400 millions d’années-lumière de la Terre, ce blazar a stupéfié les scientifiques en mettant en évidence une structure hélicoïdale dans le champ magnétique où les particules sont accélérées.
« Markarian 421 est un vieil ami des astronomes spécialisés dans les hautes énergies », explique Laura Di Gesu, astrophysicienne à l’Agence spatiale italienne et auteur principal du nouvel article. « Nous étions convaincus que ce blazar serait une cible intéressante pour IXPE, mais ses découvertes ont dépassé toutes nos espérances, démontrant avec succès comment la polarimétrie des rayons X enrichit notre capacité à sonder la géométrie complexe du champ magnétique et l’accélération des particules dans différentes régions de jets relativistes. »
La nouvelle étude détaillant les découvertes de l’équipe IXPE à Markarian 421 est disponible dans la dernière édition de Nature Astronomy.
Représentation artistique de IXPE en orbite terrestre. Crédit : NASA
Le phénomène des jets de blazar
Les jets de blazar, comme celui émis par Markarian 421, peuvent s’étendre sur des millions d’années-lumière. Ils sont particulièrement brillants car lorsque les particules s’approchent de la vitesse de la lumière, elles dégagent une énorme quantité d’énergie et se comportent de manière étrange, comme l’avait prédit Einstein. Les jets de blazars sont encore plus lumineux car, tout comme la sirène d’une ambulance émet un son plus fort lorsqu’elle se rapproche, la lumière dirigée vers nous semble également plus brillante. Cela explique pourquoi les blazars peuvent éclipser toutes les étoiles de leur galaxie hôte.
L’énigme de la dynamique des jets de blazars
Malgré des décennies de recherche, les processus physiques qui déterminent la dynamique et les émissions des jets de blazars restent insaisissables pour les scientifiques. Cependant, la nouvelle polarimétrie à rayons X de l’IXPE – qui mesure la direction moyenne du champ électrique des ondes lumineuses – offre une perspective inégalée sur ces objets, leur géométrie physique et l’origine de leurs émissions.
Découvertes surprenantes
Les modèles des chercheurs décrivent généralement le puissant jet sortant avec une structure en hélice, semblable à l’organisation de l’ADN humain. Mais les scientifiques ne s’attendaient pas à ce que la structure en hélice contienne des régions de particules accélérées par des chocs.
IXPE a découvert une variabilité surprenante de l’angle de polarisation au cours de trois observations prolongées de Markarian 421 en mai et juin 2022.
« Nous avions prévu que la direction de la polarisation pourrait changer, mais nous pensions que les grandes rotations seraient rares, sur la base d’observations optiques antérieures de nombreux blazars », a déclaré Herman Marshall, physicien chercheur au Massachusetts Institute of Technology à Cambridge et coauteur de l’article. « Nous avons donc planifié plusieurs observations du blazar, la première montrant une polarisation constante de 15 %.
Fait remarquable, ajoute-t-il, l’analyse initiale des données de polarisation de l’IXPE semble montrer que la polarisation est tombée à zéro entre la première et la deuxième observation.
« Nous avons ensuite constaté que la polarisation était en fait à peu près la même, mais que sa direction faisait littéralement demi-tour, tournant de près de 180 degrés en deux jours », a déclaré M. Marshall. « Nous avons été à nouveau surpris lors de la troisième observation, qui a débuté un jour plus tard, de constater que la direction de la polarisation continuait à tourner au même rythme.
Propagation de l’onde de choc et observations futures
Il est encore plus étrange de constater que les mesures optiques, infrarouges et radio effectuées simultanément n’ont montré aucun changement de stabilité ou de structure, même lorsque les émissions de rayons X polarisés ont dévié. Cela suggère qu’une onde de choc pourrait se propager le long des champs magnétiques en spirale à l’intérieur du jet.
L’idée d’une onde de choc accélérant les particules du jet est cohérente avec les théories concernant Markarian 501, un second blazar observé par IXPE qui a donné lieu à la publication d’une étude fin 2022. Mais son cousin Markarian 421 présente des preuves plus évidentes d’un champ magnétique hélicoïdal contribuant à l’onde de choc.
Di Gesu, Marshall et leurs collègues sont impatients de mener d’autres observations de Markarian 421 et d’autres blazars pour en savoir plus sur ces fluctuations de jet et sur leur fréquence.
« Grâce à l’IXPE, l’étude des jets astrophysiques est une période passionnante », a déclaré M. Di Gesu.
Référence : « Discovery of X-ray polarization angle rotation in the jet from blazar Mrk 421 » par Laura Di Gesu, Herman L. Marshall, Steven R. Ehlert, Dawoon E. Kim, Immacolata Donnarumma, Fabrizio Tavecchio, Ioannis Liodakis, Sebastian Kiehlmann, Iván Agudo, Svetlana G. Jorstad, Fabio Muleri, Alan P. Marscher, Simonetta Puccetti, Riccardo Middei, Matteo Perri, Luigi Pacciani, Michela Negro, Roger W. Romani, Alessandro Di Marco, Dmitry Blinov, Ioakeim G. Bourbah, Evangelos Kontopodis, Nikos Mandarakas, Stylianos Romanopoulos, Raphael Skalidis, Anna Vervelaki, Carolina Casadio, Juan Escudero, Ioannis Myserlis, Mark A. Gurwell, Ramprasad Rao, Garrett K. Keating, Pouya M. Kouch, Elina Lindfors, Francisco José Aceituno, Maria I. Bernardos, Giacomo Bonnoli, Víctor Casanova, Maya García-Comas, Beatriz Agís-González, César Husillos, Alessandro Marchini, Alfredo Sota, Ryo Imazawa, Mahito Sasada, Yasushi Fukazawa, Koji S. Kawabata, Makoto Uemura, Tsunefumi Mizuno, Tatsuya Nakaoka, Hiroshi Akitaya, Sergey S. Savchenko, Andrey A. Vasilyev, José L. Gómez, Lucio A. Antonelli, Thibault Barnouin, Raffaella Bonino, Elisabetta Cavazzuti, Luigi Costamante, Chien-Ting Chen, Nicolò Cibrario, Alessandra De Rosa, Federico Di Pierro, Manel Errando, Philip Kaaret, Vladimir Karas, Henric Krawczynski, Lindsey Lisalda, Grzegorz Madejski, Christian Malacaria, Frédéric Marin, Andrea Marinucci, Francesco Massaro, Giorgio Matt, Ikuyuki Mitsuishi, Stephen L. O’Dell, Alessandro Paggi, Abel L. Peirson, Pierre-Olivier Petrucci, Brian D. Ramsey, Allyn F. Tennant, Kinwah Wu, Matteo Bachetti, Luca Baldini, Wayne H. Baumgartner, Ronaldo Bellazzini, Stefano Bianchi, Stephen D. Bongiorno, Alessandro Brez, Niccolò Bucciantini, Fiamma Capitanio, Simone Castellano, Stefano Ciprini, Enrico Costa, Ettore Del Monte, Niccolò Di Lalla, Victor Doroshenko, Michal Dovčiak, Teruaki Enoto, Yuri Evangelista, Sergio Fabiani, Riccardo Ferrazzoli, Javier A. Garcia, Shuichi Gunji, Kiyoshi Hayashida, Jeremy Heyl, Wataru Iwakiri, Fabian Kislat, Takao Kitaguchi, Jeffery J. Kolodziejczak, Fabio La Monaca, Luca Latronico, Simone Maldera, Alberto Manfreda, C.-Y. Ng, Nicola Omodei, Chiara Oppedisano, Alessandro Papitto, George G. Pavlov, Melissa Pesce-Rollins, Maura Pilia, Andrea Possenti, Juri Poutanen, John Rankin, Ajay Ratheesh, Oliver J. Roberts, Carmelo Sgrò, Patrick Slane, Paolo Soffitta, Gloria Spandre, Douglas A. Swartz, Toru Tamagawa, Roberto Taverna, Yuzuru Tawara, Nicholas E. Thomas, Francesco Tombesi, Alessio Trois, Sergey S. Tsygankov, Roberto Turolla, Jacco Vink, Martin C. Weisskopf, Fei Xie et Silvia Zane, 17 juillet 2023, Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-023-02032-7
IXPE est une collaboration entre la NASA et l’Agence spatiale italienne avec des partenaires et des collaborateurs scientifiques dans 12 pays. IXPE est dirigé par le Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama. Ball Aerospace, dont le siège se trouve à Broomfield (Colorado), gère les opérations du vaisseau spatial en collaboration avec le laboratoire de physique atmosphérique et spatiale de l’université du Colorado à Boulder. Les observations de Markarian 421 par IXPE ont été complétées par des données recueillies par des observatoires partenaires aux États-Unis, en France, au Japon, en Espagne et en Crète.