Les noyaux actifs de galaxie, alimentés par les trous noirs supermassifs qu’ils contiennent, sont les objets les plus lumineux de l’Univers. La lumière provient de jets de matière projetés à une vitesse proche de celle de la lumière par l’environnement du trou noir. Dans la plupart des cas, ces noyaux galactiques actifs sont appelés quasars. Mais, dans de rares cas où l’un des jets est orienté directement vers la Terre, on les appelle des blazars et ils apparaissent plus brillants.
Bien que les grandes lignes du fonctionnement d’un blazar aient été définies, plusieurs détails restent mal compris, notamment la manière dont la matière en mouvement rapide génère autant de lumière. Aujourd’hui, les chercheurs ont orienté un nouvel observatoire spatial, l’IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), vers l’un des blazars les plus brillants du ciel. Les données de cet observatoire et d’autres observations combinées indiquent que la lumière est produite lorsque les jets du trou noir heurtent des matériaux en mouvement plus lent.
Jets et lumière
L’IXPE est spécialisé dans la détection de la polarisation des photons à haute énergie – l’orientation des ondulations du champ électrique de la lumière. L’information sur la polarisation peut nous renseigner sur les processus qui ont créé les photons. Par exemple, les photons qui proviennent d’un environnement turbulent auront une polarisation essentiellement aléatoire, tandis qu’un environnement plus structuré aura tendance à produire des photons avec une gamme limitée de polarisations. La lumière qui traverse un matériau ou un champ magnétique peut également voir sa polarisation modifiée.
Ceci s’avère utile pour l’étude des blazars. Les photons à haute énergie que ces objets émettent sont générés par des particules chargées dans les jets. Lorsque ces objets changent de trajectoire ou décélèrent, ils doivent céder de l’énergie sous forme de photons. Comme ils se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière, ils ont beaucoup d’énergie à céder, ce qui permet aux blazars d’émettre tout le spectre des ondes radio aux rayons gamma – certains de ces derniers restant à ces énergies malgré des milliards d’années de décalage vers le rouge.
La question est donc de savoir ce qui provoque la décélération de ces particules. Il y a deux idées principales. L’une d’elles est que l’environnement dans les jets est turbulent, avec des empilements chaotiques de matériaux et de champs magnétiques. Cela décélère les particules, et l’environnement désordonné signifierait que la polarisation devient largement aléatoire.
L’idée alternative implique une onde de choc, où la matière des jets se heurte à une matière plus lente, et se décélère elle-même. Il s’agit d’un processus relativement ordonné, qui produit une polarisation dont la portée est relativement limitée et qui devient plus prononcée à des énergies plus élevées.
Entrez IXPE
La nouvelle série d’observations est une campagne coordonnée visant à enregistrer le blazar Markarian 501 à l’aide de divers télescopes capturant la polarisation à de plus grandes longueurs d’onde, l’IXPE traitant les photons de plus haute énergie. En outre, les chercheurs ont fouillé dans les archives de plusieurs observatoires pour obtenir des observations antérieures de Markarian 501, ce qui leur a permis de déterminer si la polarisation est stable dans le temps.
Dans l’ensemble, sur tout le spectre, des ondes radio aux rayons gamma, les polarisations mesurées se situaient à quelques degrés les unes des autres. Elle était également stable dans le temps, et son alignement augmentait à des énergies photoniques plus élevées.
Il y a encore un peu de variation dans la polarisation, ce qui suggère qu’il y a un désordre relativement mineur au site de la collision, ce qui n’est pas vraiment une surprise. Mais c’est beaucoup moins désordonné que ce que l’on pourrait attendre d’un matériau turbulent avec des champs magnétiques compliqués.
Si ces résultats permettent de mieux comprendre comment les trous noirs produisent de la lumière, ce processus repose en fin de compte sur la production de jets, qui a lieu beaucoup plus près du trou noir. Les personnes qui étudient l’astrophysique des trous noirs ont donc encore une raison de retourner au travail après le week-end des vacances.
Nature, 2022. DOI : 10.1038/s41586-022-05338-0 (À propos des DOI).