Les astronomes ont obtenu des images sans précédent d’un jet de plasma provenant d’un trou noir supermassif dans le blazar 3C 279, révélant des modèles complexes qui remettent en question les théories existantes. Cet effort international, utilisant des réseaux de radiotélescopes avancés, a découvert des filaments hélicoïdaux à proximité de la source du jet, indiquant le rôle potentiel des champs magnétiques dans la formation de ces jets. (Concept de l’artiste.)
Un télescope plus grand que la Terre a découvert une corde à plasma dans l’Univers.
Grâce à un réseau de radiotélescopes sur Terre et dans l’espace, les astronomes ont capturé la vue la plus détaillée jamais réalisée d’un jet de plasma tir depuis un supermassif trou noir au cœur d’une galaxie lointaine.
Le jet, qui provient du cœur d’un blazar lointain appelé 3C 279, se déplace presque à la vitesse de la lumière et présente des motifs complexes et tordus près de sa source. Ces modèles remettent en question la théorie standard utilisée depuis 40 ans pour expliquer comment ces jets se forment et évoluent au fil du temps.
Une contribution majeure aux observations a été rendue possible par l’Institut Max Planck de radioastronomie de Bonn, en Allemagne, où les données de tous les télescopes participants ont été combinées pour créer un télescope virtuel d’un diamètre effectif d’environ 100 000 kilomètres.
Leurs conclusions ont été récemment publiées dans Astronomie naturelle.
Figure 1 : Filaments enchevêtrés dans le blazar 3C 279. Image haute résolution du jet relativiste dans cette source observé par le programme RadioAstron. L’image révèle une structure complexe au sein du jet avec plusieurs filaments à l’échelle du parsec formant une forme d’hélice. Le réseau comprend des données provenant de radiotélescopes du monde entier et en orbite terrestre, parmi lesquels le radiotélescope Effelsberg de 100 m. Les données ont été post-traitées au centre corrélateur de l’Institut Max Planck de radioastronomie. Crédit : Collaboration NASA/DOE/Fermi LAT ; VLBA/Jorstad et al.; RadioAstron/Fuentes et al.
Aperçu des Blazars
Les blazars sont les sources de rayonnement électromagnétique les plus brillantes et les plus puissantes du cosmos. Il s’agit d’une sous-classe de noyaux galactiques actifs comprenant des galaxies avec un trou noir supermassif central accrétant la matière d’un disque environnant. Environ 10 % des noyaux galactiques actifs, classés comme quasars, produisent des jets de plasma relativistes. Les Bazars appartiennent à une petite fraction de quasars dans lesquels on peut voir ces jets pointés presque directement vers l’observateur.
Récemment, une équipe de chercheurs comprenant des scientifiques de l’Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) de Bonn, en Allemagne, a photographié la région la plus interne du jet du Blazar 3C 279 avec une résolution angulaire sans précédent et a détecté des filaments hélicoïdaux remarquablement réguliers qui pourraient nécessitent une révision des modèles théoriques utilisés jusqu’à présent pour expliquer les processus par lesquels les jets sont produits dans les galaxies actives.
« Grâce à RadioAstron, la mission spatiale pour laquelle le radiotélescope en orbite a atteint des distances aussi éloignées que la Lune, et à un réseau de vingt-trois radiotélescopes répartis sur la Terre, nous avons obtenu l’image de la plus haute résolution de l’intérieur d’un blazar à ce jour, nous permettant d’observer la structure interne du jet avec autant de détails pour la première fois », explique Antonio Fuentes, chercheur à l’Institut d’astrophysique d’Andalousie (IAA-CSIC) à Grenade, en Espagne, qui dirige les travaux.
Implications théoriques et défis
La nouvelle fenêtre sur l’univers ouverte par la mission RadioAstron a révélé de nouveaux détails sur le jet de plasma de 3C 279, un blazar avec en son cœur un trou noir supermassif. Le jet comporte au moins deux filaments de plasma torsadés s’étendant à plus de 570 années-lumière du centre.
« C’est la première fois que nous voyons de tels filaments aussi proches de l’origine du jet, et ils nous en disent plus sur la façon dont le trou noir façonne le plasma. Le jet intérieur a également été observé par deux autres télescopes, le GMVA et l’EHT, à des longueurs d’onde beaucoup plus courtes (3,5 mm et 1,3 mm), mais ils n’ont pas pu détecter les formes filamentaires car trop faibles et trop grandes pour cette résolution, », explique Eduardo Ros, membre de l’équipe de recherche et programmateur européen du GMVA. « Cela montre comment différents télescopes peuvent révéler différentes caractéristiques d’un même objet », ajoute-t-il.
Figure 2 : L’observation RadioAstron VLBI fournit un télescope virtuel jusqu’à huit fois le diamètre de la Terre (ligne de base maximale de 350 000 km). Crédit : Roscosmos
Les jets de plasma provenant des blazars ne sont pas vraiment droits et uniformes. Ils montrent des rebondissements qui montrent comment le plasma est affecté par les forces autour du trou noir. Les astronomes étudiant ces torsions dans 3C279, appelées filaments hélicoïdaux, ont découvert qu’elles étaient causées par des instabilités se développant dans le plasma du jet. Ce faisant, ils ont également réalisé que l’ancienne théorie qu’ils avaient utilisée pour expliquer l’évolution des jets au fil du temps ne fonctionnait plus. Par conséquent, de nouveaux modèles théoriques sont nécessaires pour expliquer comment de tels filaments hélicoïdaux se forment et évoluent si près de l’origine du jet. C’est un grand défi, mais aussi une belle opportunité d’en apprendre davantage sur ces étonnants phénomènes cosmiques.
« Un aspect particulièrement intrigant de nos résultats est qu’ils suggèrent la présence d’un champ magnétique hélicoïdal qui confine le jet », explique Guang-Yao Zhao, actuellement affilié au MPIfR et membre de l’équipe scientifique. « Par conséquent, ce pourrait être le champ magnétique, qui tourne dans le sens des aiguilles d’une montre autour du jet dans 3C 279, qui dirige et guide le plasma du jet se déplaçant à une vitesse de 0,997 fois la vitesse de la lumière. »
« Des filaments hélicoïdaux similaires ont déjà été observés dans des jets extragalactiques, mais à des échelles beaucoup plus grandes où ils résulteraient de différentes parties du flux se déplaçant à des vitesses différentes et se cisaillent les unes contre les autres », ajoute Andrei Lobanov, un autre scientifique du MPIfR dans l’équipe de chercheurs. . « Avec cette étude, nous entrons dans un domaine entièrement nouveau dans lequel ces filaments peuvent être réellement connectés aux processus les plus complexes à proximité immédiate du trou noir produisant le jet. »
L’étude du jet interne de 3C279, désormais présentée dans le dernier numéro de Nature Astronomy, prolonge les efforts en cours pour mieux comprendre le rôle des champs magnétiques dans la formation initiale des flux relativistes des noyaux galactiques actifs. Il souligne les nombreux défis restants pour la modélisation théorique actuelle de ces processus et démontre la nécessité d’améliorer encore les instruments et techniques de radioastronomie qui offrent l’opportunité unique d’imager des objets cosmiques lointains avec une résolution angulaire record.
Avancées technologiques et collaboration
À l’aide d’une technique spéciale appelée interférométrie à très longue base (VLBI), un télescope virtuel d’un diamètre effectif égal à la séparation maximale entre les antennes impliquées dans une observation est créé en combinant et en corrélant les données de différents observatoires radio. Yuri Kovalev, scientifique du projet RadioAstron et aujourd’hui au MPIfR, souligne l’importance d’une saine collaboration internationale pour parvenir à de tels résultats : « Des observatoires de douze pays ont été synchronisés avec l’antenne spatiale à l’aide d’horloges à hydrogène, formant ainsi un télescope virtuel de la taille de la distance qui nous sépare de l’espace. Lune. »
Anton Zensus, directeur du MPIfR et l’un des moteurs de la mission RadioAstron au cours des deux dernières décennies, déclare : « Les expériences avec RADIOASTRON qui ont conduit à des images comme celles-ci pour le quasar 3C279 sont des réalisations exceptionnelles possibles grâce à la collaboration scientifique internationale des observatoires. et des scientifiques dans de nombreux pays. La mission a nécessité des décennies de planification conjointe avant le lancement du satellite. La réalisation des images réelles est devenue possible grâce à la connexion de grands télescopes au sol comme Effelsberg et à une analyse minutieuse des données dans notre centre de corrélation VLBI à Bonn.
Informations complémentaires
La mission RadioAstron d’interféromètre Terre-espace, active de juillet 2011 à mai 2019, consistait en un radiotélescope en orbite de 10 mètres (Spektr-R) et une collection d’environ deux douzaines des plus grands radiotélescopes au sol du monde, dont le radiotélescope Effelsberg de 100 m. Lorsque les signaux de télescopes individuels ont été combinés à l’aide d’interférences d’ondes radio, cet ensemble de télescopes a fourni une résolution angulaire maximale équivalente à celle d’un radiotélescope de 350 000 km de diamètre, soit presque la distance entre la Terre et la Lune. Cela a fait de RadioAstron l’instrument à résolution angulaire la plus élevée de l’histoire de l’astronomie. Le projet RadioAstron a été dirigé par l’Astro Space Center de l’Institut de physique Lebedev de l’Académie des sciences de Russie et l’Association scientifique et de production Lavochkin dans le cadre d’un contrat avec la société spatiale nationale ROSCOSMOS, en collaboration avec des organisations partenaires en Russie et dans d’autres pays. Les données astronomiques de cette mission sont analysées par des scientifiques individuels du monde entier, donnant des résultats comparables à ceux présentés ici.
Les collaborateurs suivants du travail présenté sont affiliés au MPIfR, par ordre d’apparition sur la liste des auteurs : Guang-Yao Zhao, Andrei P. Lobanov, Yuri Y. Kovalev, Efthalia (Thalia) Traianou, Jae-Young Kim, Eduardo Ros, et Tuomas Savolainen. Les collaborateurs Rocco Lico et Gabriele Bruni ont également été affiliés au MPIfR lors de la mission RadioAstron.
Yuri Y. Kovalev reconnaît le prix de recherche Friedrich Wilhelm Bessel de la fondation Alexander von Humboldt.
