Une équipe internationale d’astrophysiciens a mesuré pour la première fois la polarisation des rayons X en provenance d’un trou noir géant extragalactique grâce à l’Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), un nouveau satellite de la NASA et de l’Agence Spatiale Italienne. Ces mesures mettent en lumière des mystères vieux de plusieurs décennies concernant les objets les plus massifs de l’Univers.
Les trous noirs sont parmi les objets les plus puissants et les plus mystérieux de l’Univers. Ils y en a de différentes tailles, allant d’une à quelques milliards de fois la masse de notre Soleil. Mais bien que les chercheurs étudient ces objets depuis des décennies, il reste encore de nombreuses questions fondamentales à leur sujet : « Comment peuvent-ils émettre dans tout le spectre électromagnétique à des puissances aussi phénoménales ? Quelle est la géométrie, l’intensité et la turbulence des champs magnétiques qui les entourent ? Comment accélèrent-ils des particules comme les électrons à des vitesses relativistes jusque dans l’espace interstellaire ? » énumère Frédéric Marin de l’Observatoire astronomique de Strasbourg, responsable de la thématique des noyaux actifs de galaxies radio-faibles et du centre galactique pour IXPE. Ce sont ces questions que les astrophysiciens vont élucider pour la première fois avec IXPE, le tout premier satellite capable de mesurer la polarisation de la lumière dans les rayons X avec une précision inédite.
Représentation d’artiste du satellite IXPE fixant le cœur d’un trou noir géant.
La polarisation est une propriété de la lumière. Plus précisément, c’est la direction moyenne du champ électrique des ondes électromagnétiques qui composent la lumière. Cette orientation des ondes et le degré de polarisation de cette lumière contiennent des informations précieuses sur le champ magnétique qui ne peuvent être obtenues par aucun autre moyen à la disposition des scientifiques.
Le premier noyau actif de galaxie observé par IXPE est Markarian 501, dans la constellation d’Hercule. Markarian 501 (ou Mrk 501 en abrégé) possède un trou noir supermassif (quelques milliards de fois la masse du Soleil) situé au cœur d’une galaxie elliptique. Le gaz de la galaxie s’écoule vers le trou noir à travers un disque d’accrétion. Une petite fraction des particules du gaz accrété est éjecté vers la Terre dans un flux étroit et collimé appelé jet. Le gaz est dans un état extrêmement chaud appelé plasma et se déplace dans le jet à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Lorsque le plasma circule dans le champ magnétique du jet, il est excité et émet de la lumière, y compris des rayons X et des rayons gamma. Les noyaux actifs de galaxies dont le jet est dirigé vers nous sont appelés blazars et sont les objets les plus brillants du ciel nocturne. Cependant, la façon dont les particules dans le plasma sont énergisées était encore un mystère jusqu’à ce jour.
Mrk 501 a été observé début mars 2022 pendant trois jours consécutifs. Une deuxième observation, similaire, a été effectuée deux semaines plus tard. Alors que l’IXPE « regardait » Mrk 501, les astronomes ont utilisé de nombreux télescopes spatiaux et terrestres du monde entier pour observer le blazar en ondes radios, optiques et en rayons X. Les données ont ensuite été combinées comme les pièces d’un puzzle. Des efforts similaires avaient été entrepris dans le passé, cependant, les polarisations radio et optique seules n’était pas capable de différencier les modèles concurrents. La polarisation des rayons X a fourni la dernière pièce de ce puzzle.
L’équipe d’IXPE a découvert que la lumière des rayons X est plus polarisée que dans l’optique, qui est elle-même plus fortement polarisée qu’en radio. Dans le même temps, l’orientation de la lumière polarisée est la même des ondes radio aux rayons X et alignée avec la direction du jet sur le ciel. Cela a fourni des informations cruciales aux astrophysiciens pour comprendre ce qui se passait.
Ce que le consortium IXPE a observé ne peut s’expliquer que si les particules qui produisent la lumière sont énergisées par des ondes de choc qui se forment à l’intérieur du jet. Les chocs sont formés soit par le plasma se déplaçant à différentes vitesses entrant en collision avec lui-même, soit lorsque la pression aux bords du jet change brusquement. Les particules sous tension émettent alors des rayons X immédiatement après avoir quitté la zone de choc, tandis qu’elles émettent de la lumière optique et radio à mesure qu’elles s’éloignent, là où le plasma devient plus turbulent. Ces nouvelles observations ont permis d’éliminer nombre de modèles basés sur des considérations purement spectroscopiques ou temporelles et ont clarifié le rôle de la turbulence dans les jets.
« Nous avons enfin eu toutes les pièces du puzzle, et l’image qu’elles ont faite est claire », a déclaré Yannis Liodakis du Centre finlandais d’astronomie de l’ESO, auteur principal de l’article publié dans Nature. « Bien qu’il y ait eu de nombreux modèles concurrents avant les observations d’IXPE, ce résultat montre clairement que les ondes de choc sont responsables de la lumière provenant des blazars ». IXPE observera plus de blazars durant les deux prochaines années afin de déterminer si les chocs et la turbulence dominent les jets dans tous les blazars du ciel, ou si d’autres processus comme la reconnexion des champs magnétiques de directions opposées peuvent aussi être importants.
Article publié dans Nature : Liodakis et al. 2022, Polarized blazar X-rays imply particle acceleration in shocks.
Contact : Frédéric Marin frederic.marin@astro.unistra.fr
Pour en savoir plus :
- News Nature (en anglais)
- Communiqué de presse NASA (en anglais)
- Sur le site du CNRS-INSU
- Interview sur le site Savoir(s) de l’Université de Strasbourg
- Sur le site de l’OSUG