Trous noirs supermassifs, qui se cachent au cœur de la plupart des galaxies, sont souvent décrits comme des « bêtes » ou des « monstres ». Mais malgré cela, ils sont quasiment invisibles. Pour montrer qu'ils sont là du tout, les astronomes doivent généralement mesurer la vitesse des nuages ​​de gaz en orbite autour de ces régions.

Mais ces objets peuvent parfois faire sentir leur présence par la création de jets puissants, qui transportent tellement d'énergie qu'elles sont capables d'éclipser toute la lumière émise par les étoiles de la galaxie hôte. On sait que ces "jets relativistes" sont deux flux de plasma (matière constituée de particules chargées électriquement alors qu'elles n'ont pas de charge globale), se déplaçant dans des directions opposées à des vitesses très proches de la vitesse de la lumière.

La physique régissant ces fontaines cosmiques, cependant, a longtemps été un peu un mystère. Maintenant notre nouveau papier, Publié dans Astronomie de la nature , a fait la lumière sur les causes de leur apparition extraordinaire.

Ce qui rend les jets relativistes exceptionnels, c'est leur stabilité impressionnante :ils émergent d'une région aussi grande que l'horizon des événements (le point de non-retour) du trou noir supermassif et se propagent suffisamment loin pour sortir de leur galaxie hôte tout en conservant leur forme pendant une Longtemps. Cela correspond à une longueur qui est un milliard de fois leur rayon initial - pour mettre cela en perspective, imaginez une fontaine d'eau sortant d'un tuyau d'arrosage de 1 cm de large et restant ininterrompue pendant 10, 000km.

Une fois que les jets se sont propagés à de grandes distances de leur origine, bien que, ils perdent leur cohérence et développent des structures étendues qui ressemblent souvent à des panaches ou à des lobes. Cela indique que les jets subissent une sorte d'instabilité, assez fort pour changer complètement leur apparence.

Une dichotomie des jets

Le premier jet astrophysique a été découvert en 1918 par l'astronome américain Heber Curtis, qui a remarqué "un curieux rayon rectiligne … apparemment connecté au noyau par une fine ligne de matière" dans la galaxie elliptique géante M87.

Dans les années 1970, deux astronomes de l'Université de Cambridge, Bernie Fanaroff et Julia Riley, étudié un grand ensemble de jets. Ils ont découvert qu'ils pouvaient être divisés en deux classes :ceux contenant des jets dont la luminosité diminue avec la distance de leur origine, et ceux qui deviennent plus brillants sur leurs bords. Globalement, ce dernier type est environ 100 fois plus lumineux que le premier. Ils ont tous deux une forme légèrement différente à la fin - le premier ressemble à un panache évasé et le second ressemble à un mince ruisseau turbulent. La raison exacte pour laquelle il existe deux types de jets différents fait toujours l'objet de recherches actives.

Au fur et à mesure que la matière du jet est accélérée par le trou noir, il atteint des vitesses allant jusqu'à 99,9% de la vitesse de la lumière. Quand un objet se déplace si vite, le temps se dilate - en d'autres termes, l'écoulement du temps au jet, mesuré par un observateur externe ralentit comme prédit par la relativité restreinte d'Einstein. À cause de ce, il faut plus de temps aux différentes parties du jet pour communiquer les unes avec les autres - comme pour interagir ou s'influencer - tout en s'éloignant de leur source. Cette, effectivement, protège le jet d'être perturbé.

Cependant, cette perte de communication ne dure pas éternellement. Lorsque le jet est éjecté du trou noir, il se dilate latéralement. Cette expansion fait chuter la pression à l'intérieur du jet, tandis que la pression du gaz entourant le jet ne diminue pas autant. Finalement, la pression extérieure du gaz dépasse la pression à l'intérieur du jet et fait se contracter le flux en le comprimant. À ce point, les parties du jet se rapprochent tellement qu'elles peuvent à nouveau communiquer. Si certaines parties du jet sont devenues instables entre-temps, ils peuvent désormais échanger ces informations et les instabilités peuvent se propager et affecter l'ensemble du faisceau.

Le processus d'expansion et de contraction des jets a une autre conséquence importante :l'écoulement ne suit plus des lignes droites mais des trajectoires courbes. Les écoulements courbes sont susceptibles de souffrir d'"instabilité centrifuge", ce qui signifie qu'ils commencent à créer des structures de type tourbillon appelées vortex. Cela n'était pas considéré comme critique pour les jets astrophysiques jusqu'à récemment.

En effet, nos simulations informatiques détaillées montrent que les jets relativistes deviennent instables à cause de l'instabilité centrifuge, ce qui n'affecte initialement que leur interface avec le gaz galactique. Une fois qu'ils se sont contractés en raison de la pression extérieure, cette instabilité se propage dans tout le jet. L'instabilité est si catastrophique que le jet ne survit pas au-delà de ce point et donne lieu à un panache turbulent.

En mettant ce résultat en perspective, nous avons une meilleure idée de l'impressionnante stabilité des jets astrophysiques. Cela peut également aider à expliquer les deux classes énigmatiques de jets découverts par Fanaroff et Riley – tout dépend de la distance à laquelle un jet devient instable de sa galaxie. Nous avons fait des simulations informatiques de ce à quoi ces jets ressembleraient sur la base de notre nouvelle compréhension de la physique de ces faisceaux cosmiques, et ils ressemblent beaucoup aux deux classes que nous voyons dans les observations astronomiques.

Il y a beaucoup plus à apprendre sur le gigantesque, bêtes sauvages résidant au centre des galaxies. Mais petit à petit, nous percevons leur mystère et montrons qu'ils sont en effet parfaitement respectueux des lois et prévisibles.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.