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Découverte scintillante: ces trous noirs lointains «  bébés  » semblent se comporter mal – et les experts sont perplexes

Cet article a été initialement publié sur La conversation. La publication a contribué à l’article à 45secondes.fr’s Voix d’experts: Op-Ed & Insights.

Kathryn Ross, Doctorant, Université Curtin

Natasha Hurley-Walker, Radio-astronome, Université Curtin

Des images radiophoniques du ciel ont révélé des centaines de trous noirs « bébés » et supermassifs dans des galaxies lointaines, avec la lumière des galaxies rebondissant de manière inattendue.

Les galaxies sont de vastes corps cosmiques, d’une taille de dizaines de milliers d’années-lumière, composés de gaz, de poussière et d’étoiles (comme notre soleil).

Compte tenu de leur taille, on s’attend à ce que la quantité de lumière émise par les galaxies change lentement et régulièrement, sur des échelles de temps bien au-delà de la vie d’une personne.

Mais nos recherches, publiées dans les Avis mensuels de la Royal Astronomical Society, ont trouvé une population surprenante de galaxies dont la lumière change beaucoup plus rapidement, en quelques années seulement.

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Qu’est-ce qu’une radio galaxie?

Les astronomes pensent qu’il y a un trou noir supermassif au centre de la plupart des galaxies. Certains d’entre eux sont «actifs», ce qui signifie qu’ils émettent beaucoup de rayonnement.

Leurs puissants champs gravitationnels attirent la matière de leur environnement et la déchirent en un beignet orbital de plasma chaud appelé «disque d’accrétion».

Ce disque tourne autour du trou noir à presque la vitesse de la lumière. Les champs magnétiques accélèrent les particules à haute énergie du disque en longs et minces flux ou «jets» le long des axes de rotation du trou noir. À mesure qu’ils s’éloignent du trou noir, ces jets s’épanouissent en gros nuages ​​en forme de champignon ou «lobes».

Combinant la puissance de plusieurs télescopes, les scientifiques ont découvert une magnifique image du trou noir d'Hercule A.

La radio galaxie Hercules A a un trou noir supermassif actif en son centre. Ici, il est représenté émettant des particules de haute énergie dans des jets s’étendant dans des lobes radio. (Crédit d’image: NASA, ESA, S. Baum & C. O’Dea (RIT), R. Perley & W. Cotton (NRAO / AUI / NSF), et l’équipe Hubble Heritage (STScI / AURA))

Toute cette structure est ce qui compose une galaxie radio, ainsi appelée parce qu’elle émet beaucoup de rayonnement radio-fréquence. Il peut s’agir de centaines, de milliers ou même de millions d’années-lumière et peut donc prendre des éons pour montrer des changements dramatiques.

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Les astronomes se demandent depuis longtemps pourquoi certaines radio-galaxies hébergent d’énormes lobes, tandis que d’autres restent petites et confinées. Deux théories existent. La première est que les jets sont retenus par un matériau dense autour du trou noir, souvent appelé lobes frustrés.

Cependant, les détails autour de ce phénomène restent inconnus. On ne sait toujours pas si les lobes ne sont que temporairement confinés par un petit environnement extrêmement dense – ou s’ils poussent lentement à travers un environnement plus grand mais moins dense.

La deuxième théorie pour expliquer les plus petits lobes est que les jets sont jeunes et ne se sont pas encore étendus sur de grandes distances.

Les vieux sont rouges, les bébés sont bleus

Les radio-galaxies, jeunes et anciennes, peuvent être identifiées par une utilisation intelligente de la radioastronomie moderne: en regardant leur «couleur radio».

Nous avons examiné les données du levé GaLactic et Extragalactic All Sky MWA (GLEAM), qui voit le ciel à 20 fréquences radio différentes, donnant aux astronomes une vue inégalée en «couleur radio» du ciel.

D’après les données, les galaxies radio bébé apparaissent en bleu, ce qui signifie qu’elles sont plus brillantes à des fréquences radio plus élevées. Pendant ce temps, les galaxies radio anciennes et mourantes apparaissent en rouge et sont plus brillantes dans les fréquences radio inférieures.

Nous avons identifié 554 galaxies radio bébé. Lorsque nous avons examiné des données identiques prises un an plus tard, nous avons été surpris de voir que 123 d’entre eux rebondissaient dans leur luminosité, semblant scintiller. Cela nous a laissé un puzzle.

Quelque chose de plus d’une année-lumière en taille ne peut pas varier autant en luminosité sur moins d’un an sans enfreindre les lois de la physique. Donc, soit nos galaxies étaient beaucoup plus petites que prévu, soit quelque chose d’autre se passait.

Heureusement, nous avions les données dont nous avions besoin pour les découvrir.

Les recherches antérieures sur la variabilité des radio-galaxies ont utilisé soit un petit nombre de galaxies, des données d’archives collectées à partir de nombreux télescopes différents, soit ont été menées en utilisant une seule fréquence.

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Pour nos recherches, nous avons étudié plus de 21 000 galaxies sur un an sur plusieurs fréquences radio. Cela en fait la première étude de «variabilité spectrale», nous permettant de voir comment les galaxies changent de luminosité à différentes fréquences.

Certaines de nos galaxies radio pour bébés qui rebondissent ont tellement changé au cours de l’année que nous doutons qu’elles soient des bébés. Il y a une chance que ces radio-galaxies compactes soient en fait des adolescents angoissés qui deviennent rapidement des adultes beaucoup plus rapidement que prévu.

Alors que la plupart de nos galaxies variables ont augmenté ou diminué en luminosité à peu près de la même quantité dans toutes les couleurs de la radio, certaines ne l’ont pas fait. En outre, 51 galaxies ont changé dans les deux luminosité et la couleur, qui peut être un indice sur les causes de la variabilité.

3 possibilités pour ce qui se passe

1) Galaxies scintillantes

À mesure que la lumière des étoiles traverse l’atmosphère terrestre, elle est déformée. Cela crée l’effet scintillant des étoiles que nous voyons dans le ciel nocturne, appelé «scintillation». La lumière des radio-galaxies dans cette étude a traversé notre galaxie de la Voie lactée pour atteindre nos télescopes sur Terre.

Ainsi, le gaz et la poussière à l’intérieur de notre galaxie auraient pu la déformer de la même manière, entraînant un effet scintillant.

2) Regardant le canon

Dans notre univers tridimensionnel, les trous noirs tirent parfois des particules de haute énergie directement vers nous sur Terre. Ces radio-galaxies sont appelées «blazars».

Au lieu de voir de longs jets minces et de gros lobes en forme de champignon, nous voyons les blazars comme un très petit point brillant. Ils peuvent montrer une extrême variabilité sur des échelles de temps courtes, car toute petite éjection de matière du trou noir supermassif lui-même est dirigée directement vers nous.

3) Rots de trou noir

Lorsque le trou noir supermassif central «rots» des particules supplémentaires, elles forment un amas se déplaçant lentement le long des jets. Au fur et à mesure que l’amas se propage vers l’extérieur, nous pouvons le détecter d’abord dans le «bleu radio», puis plus tard dans le «rouge radio».

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Nous pouvons donc détecter des rots de trous noirs géants voyageant lentement dans l’espace.

Quelle destination maintenant?

C’est la première fois que nous avons la capacité technologique de mener une enquête de variabilité à grande échelle sur plusieurs couleurs radio. Les résultats suggèrent que notre compréhension du ciel radioélectrique fait défaut et que les radio-galaxies sont peut-être plus dynamiques que prévu.

Une vue d'artiste du télescope SKA.  Sur la gauche, SKA-Mid, se fondant sur SKA-Low sur la droite.

(Crédit d’image: SKAO / CRAR / SARAO)

Au fur et à mesure que la prochaine génération de télescopes sera mise en ligne, en particulier le Square Kilometer Array (SKA), les astronomes se constitueront une image dynamique du ciel sur de nombreuses années.

En attendant, cela vaut la peine de regarder ces radio-galaxies au comportement étrange et de garder un œil particulièrement attentif sur les bébés qui rebondissent.

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Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l’article original.

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