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Champ magnétique autour d’un trou noir cartographié pour la première fois

Des images inédites du champ magnétique autour d’un trou noir peuvent expliquer comment le trou noir projette un jet d’énergie et de matière à plus de 5 000 années-lumière dans l’espace.

Les nouvelles images proviennent du premier trou noir jamais photographié, qui se trouve au centre de Messier 87, une galaxie elliptique géante distante de 55 millions d’années-lumière. En 2017, une collaboration internationale de plus de 300 chercheurs a coordonné 11 radiotélescopes à travers le monde pour observer le centre de M87. Le télescope conjoint résultant a été surnommé le télescope Event Horizon (EHT). Le résultat, publié en 2019, était une image d’un trou noir entouré d’un beignet de matière brillante.

Maintenant, une nouvelle analyse des données révèle que la lumière dans ce beignet lumineux est partiellement polarisée, ce qui signifie que les ondes lumineuses vibrent dans un seul plan. Il s’agit d’une signature de la lumière qui a traversé un espace chaud et magnétisé, et sa présence signifie que les chercheurs peuvent commencer à cartographier le champ magnétique au bord du trou noir.

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Dans deux nouveaux papiers publié aujourd’hui (24 mars) dans The Astrophysical Journal, les scientifiques découvrent que le champ magnétique peut être suffisamment puissant pour expulser de la matière qui, autrement, tomberait irrémédiablement au-delà de l’horizon des événements du trou noir. Le résultat: un flux de matière et d’énergie qui jaillit du trou noir et de sa galaxie environnante comme un projecteur.

«De nombreuses personnes ont travaillé pendant longtemps sur la façon dont les champs magnétiques laissent tomber le gaz dans les trous noirs, comment lancent-ils des jets, et nous sommes maintenant vraiment prêts à commencer à tester ces théories directement avec des images de trous noirs polarisés», a déclaré Jason Dexter, astrophysicien à l’Université du Colorado, Boulder, et coordinateur du groupe de travail sur la théorie EHT.

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Lumière polarisée

Pour créer les nouvelles cartes de champ magnétique, les chercheurs ont dû sélectionner la polarisation à partir d’un ensemble de données très bruyant. La lumière polarisée n’est qu’une partie de la lumière globale entourant le trou noir, qui est créée par la matière voyageant très rapidement et se frottant ensemble, générant de l’énergie et une lueur. De plus, l’équipe de recherche a dû séparer le signal de ce champ magnétique de l’erreur introduite par l’atmosphère terrestre sur 11 télescopes différents et par l’instrumentation interne de ces télescopes.

« Déterrer ces signaux relativement plus faibles et tenir compte des erreurs plus importantes a été un effort immense », a déclaré Dexter à 45Secondes.fr.

Au départ, il semblait que seulement 1% à 3% de la lumière autour du trou noir était polarisée. Mais alors que les chercheurs se sont penchés sur la fraction polarisée, ils ont réalisé qu’entre 10% et 20% de l’anneau lumineux était polarisé. Lors du calcul de la moyenne de toutes les données, Dexter a déclaré que la lumière polarisée voyageant dans une direction « annulait » la lumière polarisée voyageant dans la direction opposée, de sorte que la proportion de lumière polarisée semblait artificiellement faible.

Le magnétisme résulte du gaz chaud encerclant le trou noir. Lorsque les particules de gaz chargées tournent, elles renforcent le champ magnétique. Mais les chercheurs ont découvert que tout le champ magnétique ne tournait pas simplement avec le gaz en spirale.

« Nous ne voyons pas la même carte de polarisation et la même image que nous attendrions si les champs magnétiques étaient juste enroulés autour du trou noir pour être entraînés avec le gaz », a déclaré Dexter. « [The field] est solide car il peut résister à être traîné avec le gaz lorsqu’il tourne autour du trou noir. « 

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S’échapper d’un trou noir

Les astrophysiciens soupçonnent depuis longtemps que les champs magnétiques environnants jouent un rôle à la fois en aidant à la croissance des trous noirs et en expulsant la matière et l’énergie dans d’énormes jets. Les astrophysiciens ont pu mesurer les champs magnétiques dans les jets, mais c’est la première fois qu’ils ont pu observer directement le champ à la base des jets.

Vue du jet depuis le centre de M87 en lumière polarisée (en haut), sur une distance de 1 300 années-lumière;  une vue agrandie du télescope VLBA couvrant 0,25 année-lumière (milieu);  la lueur polarisée autour du trou noir, observée par le télescope Event Horizon (en bas).

Vue du jet depuis le centre de M87 en lumière polarisée (en haut), sur une distance de 1 300 années-lumière; une vue agrandie du télescope VLBA couvrant 0,25 année-lumière (milieu); la lueur polarisée autour du trou noir, observée par le télescope Event Horizon (en bas), couvrant 0,0063 années-lumière. (Crédit d’image: EHT Collaboration; ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), Goddi et al .; VLBA (NRAO), Kravchenko et al .; JC Algaba, I. Martí-Vidal)

« L’essentiel ici est d’essayer de comprendre comment le champ est structuré une fois qu’il se rapproche du trou noir », a déclaré Dexter.

Dexter et ses collègues ont essayé de faire correspondre différents types de champs aux données EHT à l’aide de modèles informatiques. Les champs qui correspondaient aux données M87 avaient tendance à produire des jets puissants, ont-ils constaté.

« Il y a beaucoup de choses que nous ne savons pas, et nous devrions être prudents, mais c’est un signal intéressant que les champs magnétiques jouent peut-être ce rôle actif dans la croissance des trous noirs et le lancement de jets », a-t-il déclaré.

Les futures observations du trou noir au cœur de M87 aideront à résoudre ce mystère, car toute fluctuation dans le temps permettra aux chercheurs de construire des cartes plus détaillées des champs magnétiques. Plus d’observations les aideront également à éliminer les distorsions des données, ce qui leur donnera une image plus claire. Il n’y a pas non plus de raison pour que l’EHT ne puisse pas être entraîné sur le trou noir au centre de notre galaxie d’origine, la Voie lactée, a déclaré Dexter.

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« C’est un résultat très excitant, en apprendre davantage sur cette image de trou noir et les propriétés physiques derrière l’image du trou noir dans M87 », a-t-il déclaré. « C’est juste le début. »

Publié à l’origine sur 45Secondes.fr.

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