Certains trous noirs supermassifs lancent de puissants faisceaux de matière, ou des jets, tandis que d'autres ne le font pas. Les astronomes ont peut-être maintenant identifié pourquoi.

En utilisant les données de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA, XMM-Newton de l'ESA, l'allemand ROentgen SATellite (ROSAT), Karl G. Jansky Very Large Array de la NSF, le Sloan Digital Sky Survey, et autres télescopes, les chercheurs ont étudié plus de 700 quasars – des trous noirs supermassifs à croissance rapide – pour isoler les facteurs qui déterminent pourquoi ces trous noirs lancent des jets.

Les jets des trous noirs supermassifs peuvent injecter d'énormes quantités d'énergie dans leur environnement et influencer fortement l'évolution de leur environnement. Précédemment, les scientifiques ont réalisé qu'un trou noir supermassif doit tourner rapidement pour entraîner des jets puissants, mais tous les trous noirs en rotation rapide n'ont pas de jets.

"Nous avons découvert qu'il existe un autre facteur déterminant pour savoir si un trou noir supermassif a des jets, quelque chose appelé une couronne de trou noir enfilée par des champs magnétiques, " a déclaré Shifu Zhu de la Penn State University à University Park, Pennsylvanie, qui a dirigé l'étude. "Si vous n'avez pas une couronne de trou noir brillante aux rayons X, il semble que vous n'ayez pas de puissants jets de trous noirs."

En astronomie, le terme « couronne » est communément associé à l'atmosphère extérieure du soleil. Coronas de trous noirs, d'autre part, sont des régions de gaz chaud diffus qui se trouvent au-dessus et au-dessous d'un disque de matériau beaucoup plus dense tourbillonnant autour du gouffre gravitationnel. Comme la couronne autour du soleil, les couronnes de trous noirs sont enfilées avec de puissants champs magnétiques.

"C'est comme faire du pain où il faut quelques ingrédients pour réussir la recette d'un pain, " a déclaré le co-auteur Niel Brandt, aussi de Penn State. "Nos résultats montrent qu'un ingrédient dont vous ne pouvez pas vous passer lors de la" fabrication "de puissants jets de quasars est une couronne lumineuse."

L'équipe a obtenu ses résultats en acquérant une meilleure compréhension de l'émission de rayons X des quasars. Des études antérieures avaient montré que les quasars sans jets présentaient un lien caractéristique entre la force de leur émission de rayons X et d'ultraviolets. Cette corrélation s'explique par la lumière ultraviolette du disque du trou noir frappant des particules dans la couronne. L'augmentation d'énergie qui en résulte convertit la lumière ultraviolette en rayons X.

Dans la nouvelle étude, l'équipe a choisi d'étudier le comportement des quasars qui ont des jets. Ils ont trouvé une corrélation entre la luminosité des différents quasars dans les rayons X et la lumière ultraviolette qui est remarquablement similaire à celle trouvée pour les quasars sans jets. Ils ont conclu que l'émission de rayons X dans les quasars propulseurs à réaction est également produite par une couronne de trou noir.

Cette conclusion fut une surprise. Précédemment, les astronomes pensaient que l'émission de rayons X des quasars avec jets provenait de la base des jets parce que les quasars avec jets ont tendance à être plus brillants dans les rayons X que ceux sans. La nouvelle étude confirme cette différence de luminosité mais conclut que l'émission supplémentaire de rayons X provient de couronnes de trous noirs plus brillantes que celles de quasars avec des jets plus faibles ou inexistants.

"La découverte que les rayons X dans les quasars avec jets proviennent d'une couronne de trou noir, plutôt que des jets, remet en cause 35 ans de réflexion sur la nature fondamentale de cette émission, " a déclaré le co-auteur Guang Yang de la Texas A&M University à College Station, Texas. "Cela pourrait fournir un nouvel aperçu de la physique de ces jets."

Une implication importante de leur travail est que pour produire des jets puissants, un quasar doit avoir une couronne de trou noir brillante, filé par de forts champs magnétiques, en plus d'un trou noir en rotation rapide. Les quasars avec des couronnes de trous noirs plus faibles et des champs magnétiques plus faibles ont des jets moins puissants ou inexistants, que leurs trous noirs supermassifs tournent rapidement ou non.

"Les jets puissants d'un quasar et la couronne brillante qui se produisent ensemble peuvent être fondamentalement entraînés par des champs magnétiques, " dit Zhu.

Des champs magnétiques plus forts peuvent résulter d'un disque plus épais causé par un taux plus élevé de matière tombant dans le trou noir.

Ces résultats sont similaires à ceux trouvés pour les trous noirs de masse stellaire, qui pèsent moins de cent fois la masse du soleil, par rapport aux trous noirs supermassifs qui pèsent des millions ou des milliards de fois la masse du soleil. Cela soutient l'idée que ces deux classes différentes de trous noirs peuvent être similaires en termes de comportement malgré leurs tailles très différentes.

L'échantillon de l'équipe se compose de 729 quasars à jets. Chandra, XMM-Newton, et les données ROSAT ont été utilisées pour 212, 278, et 239 quasars respectivement. La taille et la qualité de l'échantillon de l'équipe expliquent pourquoi ils ont pu découvrir la cause de l'émission de rayons X.