Les rayons crépusculaires d'un trou noir révélés par Hubble ?

Laurent Sacco

Journaliste

Publié le 02/12/2020

Une astronome amateur, fouillant dans les images de Hubble, a mis en évidence des structures qui ressemblent aux rayons crépusculaires sur Terre. Les astronomes lui ont emboîté le pas et ils pensent que l'on est probablement bien devant ce phénomène et qu'il est associé au trou noir supermassif au cœur de la galaxie observée avec le télescope spatial.

Newton, via les travaux de Kepler, a montré que la physique terrestre de Galilée et de Descartes était la clé de la physique céleste. Bunsen et Kirchhoff ont montré qu'il en était de même avec la chimie terrestre et la chimie céleste via les travaux de Fraunhofer en optique. C'est aussi au début du XIXe siècle que Jean-Baptiste Biot a établi que les météorites sont bien des pierres littéralement tombées du ciel, ce qui, là aussi, va bâtir un pont entre le ciel et la Terre, pont que les futurs cosmochimistes et astrophysiciens nucléaires vont exploiter au cours du XXe siècle.

De nos jours, cette transposition de ce que l'on observe dans les laboratoires terrestres pour comprendre le ciel se poursuit mais les chercheurs disposent aussi de nouveaux yeux qui, comme il se doit, sont en orbite tel le télescope Hubble. Après les planètes, les étoiles et le Soleil, les héritiers d’Anaxagore se sont tournés vers les trous noirs de John Michell revus et corrigés par Einstein, Schwarzschild et Kerr. Quand ces astres compacts accrètent de la matière, ils peuvent devenir extraordinairement brillants et être à l'origine de noyaux actifs de galaxies que l'on appelle des quasars.

Les images de Hubble permettent d'observer jusqu'à un certain point les trous noirs supermassifs et l'état de la matière qui les entoure en formant un disque d'accrétion lui-même bordé par un tore de gaz et de poussières. La physique de ces enveloppes de matière peut s'étudier en transposant la mécanique des fluides bien terrestre et la théorie du transfert radiatif utilisée pour comprendre les nuages et les atmosphères aussi bien de notre Planète bleue que celle du Soleil. Il semblerait que l'on voit aujourd'hui, associé au disque et au tore autour d'un trou noir supermassif, l'équivalent des rayons crépusculaires de l'atmosphère terrestre comme l'explique un article d'une équipe d'astronomes, dirigée par Peter Maksym du Centre d'astrophysique Harvard & Smithsonian (CfA), à Cambridge, Massachusetts.

Un exemple de rayons crépusculaires à travers les nuages. © Z. Levy  

La découverte d'une astronome amateur

Publié dans The Astrophysical Journal Letters mais accessible sur arXiv, il traite de ce phénomène avec la galaxie IC 5063 située à environ 156 millions d'années-lumière de la Voie lactée dans la constellation de l'Indien, dans l'hémisphère Sud. Cette galaxie lenticulaire avait déjà fait l'objet d'observations avec Hubble mais les astronomes n'avaient pas remarqué les rayons crépusculaires. Ils ont été débusqués initialement par sérendipité et par Judy Schmidt, une artiste et astronome amateur, basée à Modesto, en Californie.

Les observations de Hubble sont compilées dans des archives qui sont largement publiques tout comme certains logiciels de traitement d'image astronomique, de sorte que celui ou celle qui veut s'y plonger le peut au moyen d'un peu de travail et sans être un professionnel en poste dans un institut. Judy Schmidt s'était donc amusée à retraiter les images de Hubble concernant IC 5063 et elle a fait apparaître les structures qui lui ont fait penser qu'elle était en présence de rayons crépusculaires.

Cette illustration représente une explication possible des mystérieux rayons lumineux et des ombres sombres observées émanant du centre extrêmement lumineux de la galaxie active IC 5063. Dans ce scénario, un disque poussiéreux entourant le trou noir du monstre projette son ombre dans l'espace, qui est entrecoupé de rayons brillants qui fuitent à travers les espaces du disque. Les ombres et les rayons s'étendent des deux côtés du disque, vu de côté dans cette vue. Le trou noir, qui est caché à l'intérieur du disque, est entouré de gaz surchauffé — la source du noyau brillant. L'effet d'optique est similaire aux rayons de Soleil qui brillent à travers des nuages épars près du coucher du Soleil et que l'on appelle des rayons crépusculaires. Vu de la Terre, le disque est perpendiculaire à de puissants jets de plasma à grande vitesse qui jaillissent du trou noir et ne percutent pas le disque. © Nasa, ESA, STScI and Z. Levy (STScI) 

Cherchant à se faire contredire, elle en a parlé sur son compte Twitter, ce qui a attiré l'attention de Peter Maksym. En effet, Judy Schmidt explore régulièrement les archives de Hubble à l'affût de belles images qu'elle retraite pour les partager à destination de ses « followers » et sur son site. Certaines de ces images ont eu l'honneur de l'Astronomy Picture of the Day (APOD).

Il semble que l'on est bel et bien en présence de rayons crépusculaires, en l'occurrence, une partie du rayonnement produit dans le disque d'accrétion au plus proche du trou noir passerait à travers des régions moins riches en gaz et en poussières aussi bien dans le disque que dans le tore qui bloque ce rayonnement dans d'autres régions. Les caractéristiques de ces rayons peuvent nous renseigner sur la structure du disque et du tore ; elles peuvent donc nous aider à comprendre les mécanismes d'accrétion qui font croître les trous noirs supermassifs et qui sont à l'origine des jets de particules et des rayonnements, ces derniers pouvant influer fortement sur la croissance conjointe des galaxies qui abritent ces trous noirs.

Sur ce schéma, les rayons crépusculaires, en l'occurrence, les ombres du tore et du disque d'accrétion de IC 5063 sont plus claires et les distances en années-lumière (light-years) donnent l'échelle.© Nasa, ESA, STScI and W.P. Maksym (CfA). Peter Maksym s’est spécialisé dans l’étude des trous noirs supermassifs en utilisant une large plage de longueurs d’onde, des rayons X aux ondes radio. Intrigué, il a donc avec ses collègues entrepris d’explorer les données prises dans l’infrarouge proche collectées avec Hubble en mars et novembre 2019. 

D'ordinaire, il est difficile d'avoir des renseignements sur le disque et le tore d'un trou noir car il faut atteindre des résolutions importantes et c'est d'ailleurs pour cette raison qu'il est difficile aussi d'observer l'ombre de l'horizon d'un trou noir supermassif. Pour le moment, nous n'avons réussi à le faire qu'avec le trou noir M87* dans le cadre de la collaboration Event Horizon Telescope. Si l'on est bien en présence de rayons crépusculaires alors ceux-ci nous ouvrent de nouvelles perspectives sur l'astrophysique des trous noirs.

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