La collaboration Event Horizon Telescope a publié la première image d'un trou noir avec des observations du massif, objet sombre au centre de Messier 87, ou M87, avril dernier. Ce trou noir a une masse d'environ 6,5 milliards de fois celle du soleil et est situé à environ 55 millions d'années-lumière de la Terre. Le trou noir a été appelé M87* par les astronomes et a récemment reçu le nom hawaïen de "Powehi".

Pendant des années, les astronomes ont observé le rayonnement d'un jet de particules de haute énergie, alimentées par le trou noir, jaillissant du centre de M87. Ils ont étudié le jet en radio, optique, et la lumière aux rayons X, y compris avec Chandra. Et maintenant, en utilisant les observations de Chandra, les chercheurs ont vu que des sections du jet se déplacent presque à la vitesse de la lumière.

"C'est la première fois que des vitesses aussi extrêmes par le jet d'un trou noir sont enregistrées à l'aide de données de rayons X, " a déclaré Ralph Kraft du Center of Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA) à Cambridge, Masse., qui a présenté l'étude à la réunion de l'American Astronomical Society à Honolulu, Hawaii. "Nous avions besoin de la vision aux rayons X de Chandra pour effectuer ces mesures."

Quand la matière s'approche suffisamment d'un trou noir, il entre dans un motif tourbillonnant appelé disque d'accrétion. Une partie du matériau de la partie interne du disque d'accrétion tombe sur le trou noir et une partie est redirigée loin du trou noir sous la forme de faisceaux étroits, ou des jets, de matière le long des lignes de champ magnétique. Parce que ce processus de chute est irrégulier, les jets sont constitués de touffes ou de nœuds que l'on peut parfois identifier avec Chandra et d'autres télescopes.

Les chercheurs ont utilisé les observations de Chandra de 2012 et 2017 pour suivre le mouvement de deux nœuds de rayons X situés dans le jet environ 900 et 2, 500 années-lumière du trou noir. Les données de rayons X montrent un mouvement avec des vitesses apparentes de 6,3 fois la vitesse de la lumière pour le nœud de rayons X le plus proche du trou noir et 2,4 fois la vitesse de la lumière pour l'autre.

"L'une des lois inviolables de la physique est que rien ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière, " a déclaré le co-auteur Brad Snios, aussi de la CFA. "Nous n'avons pas brisé la physique, mais nous avons trouvé un exemple d'un phénomène étonnant appelé mouvement supraluminique."

Le mouvement supraluminique se produit lorsque les objets se déplacent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière dans une direction proche de notre ligne de mire. Le jet voyage presque aussi vite vers nous que la lumière qu'il génère, donnant l'illusion que le mouvement du jet est beaucoup plus rapide que la vitesse de la lumière. Dans le cas de M87*, le jet pointe près de notre direction, résultant en ces vitesses apparentes exotiques.

Les astronomes ont déjà vu un tel mouvement dans le jet de M87* aux longueurs d'onde radio et optiques, mais ils n'ont pas pu montrer de manière définitive que la matière dans le jet se déplace à une vitesse très proche de la vitesse de la lumière. Par exemple, les éléments mobiles peuvent être une onde ou un choc, semblable à un bang sonique d'un avion supersonique, plutôt que de suivre les mouvements de la matière.

Ce dernier résultat montre la capacité des rayons X à agir comme un pistolet de vitesse cosmique précis. L'équipe a observé que la caractéristique se déplaçant à une vitesse apparente de 6,3 fois la vitesse de la lumière s'est également estompée de plus de 70 % entre 2012 et 2017. Cette décoloration a probablement été causée par la perte d'énergie des particules due au rayonnement produit lorsqu'elles tournent autour d'un champ magnétique. Pour que cela se produise, l'équipe doit voir les rayons X des mêmes particules aux deux moments, et non une onde en mouvement.

"Notre travail donne la preuve la plus solide à ce jour que les particules du jet de M87* se déplacent en fait à une vitesse proche de la limite de vitesse cosmique", dit Snios.

Les données Chandra sont un excellent complément aux données EHT. La taille de l'anneau autour du trou noir vu avec le télescope Event Horizon est environ cent millions de fois plus petite que la taille du jet vu avec Chandra.

Une autre différence est que l'EHT a observé M87 pendant six jours en avril 2017, donnant un instantané récent du trou noir. Les observations de Chandra étudient la matière éjectée dans le jet qui a été lancé depuis le trou noir des centaines et des milliers d'années plus tôt.

"C'est comme si le télescope Event Horizon donnait une vue rapprochée d'un lance-roquettes, " a déclaré Paul Nulsen du CfA, un autre co-auteur de l'étude, "et Chandra nous montre les fusées en vol."

En plus d'être présenté à la réunion de l'AAS, ces résultats sont également décrits dans un article de The Journal d'astrophysique dirigé par Brad Snios qui est disponible en ligne.