Au centre d'un quasar, un trou noir est entouré d'un disque d'accrétion en rotation composé de poussière et de gaz, et il y a deux jets de plasma dirigés de manière opposée qui en émanent. La forme des jets change avec la distance du centre, et comme résultat, ils ressemblent au fameux pantalon évasé. Dans le rendu de cet artiste, un champ magnétique tordu et des nuages de gaz interstellaire peuvent être vus autour du jet. Crédit :Daria Sokol/Service de presse du MIPT
Des chercheurs de Russie, Allemagne, La Finlande et les États-Unis ont étudié plus de 300 quasars, des trous noirs en rotation qui produisent des faisceaux de plasma. L'équipe a découvert que la forme de ces jets dits astrophysiques passe de parabolique à conique à une certaine distance du trou noir, rappelant les jeans évasés emblématiques des années 70. En mesurant efficacement ces "pantalons cosmiques, " les chercheurs visent à interpréter le fonctionnement du moteur central qui accélère la matière à près de la vitesse de la lumière au centre des galaxies actives éloignées. L'étude est rapportée dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
Les balises de l'univers
Les quasars sont parmi les objets les plus brillants de l'univers, en dépit d'être à des milliards d'années-lumière de la Terre. Ils sont parfois appelés balises, et ce qu'ils nous aident à naviguer n'est pas seulement le passé cosmique lointain et la structure complexe de l'univers, mais notre propre planète, trop. Parce qu'ils sont si éloignés, les quasars peuvent être utilisés comme points de référence stables dans le ciel pour mesurer la rotation de la Terre et les coordonnées des objets à la surface de la planète. Ce principe sous-tend le GPS, GLONASS, et d'autres systèmes de positionnement.
Un quasar est si brillant qu'il peut être discerné à une distance énorme. Montré dans la figure 1, il héberge un trou noir supermassif en rotation qui pèse plusieurs milliards de fois plus que notre soleil. La matière autour du trou noir tombe dessus, transportant un champ magnétique. Les lignes de champ s'apparentent à des fils sur lesquels sont enfilées des particules chargées comme des perles. La figure 2 montre que lorsque les lignes de champ magnétique tournent, le plasma accélère presque à la vitesse de la lumière. Les écoulements résultants sont appelés jets astrophysiques, et c'est à cause d'eux que les quasars sont des objets si éblouissants.
Atteindre le ciel
Les astronomes pensaient auparavant que presque tous les jets avaient la forme d'un cône étroit, s'étendant latéralement après avoir quitté la région du trou noir.
Représentation schématique d'un jet de plasma. Vous pouvez imaginer les lignes de champ magnétique comme des brins de fil sortant d'un disque, et des particules chargées sous forme de billes sur eux. Faire tourner le disque fera accélérer les billes et s'en éloigner. Crédit :Elena Nokhrina et Daria Sokol/MIPT
Après avoir observé des centaines de quasars pendant deux décennies via un réseau de radiotélescopes disséminés dans le monde, les auteurs de la nouvelle étude ont contesté cette hypothèse. Ils ont produit des images de plus de 300 jets de quasars surveillés par le programme MOJAVE et ont effectué une analyse automatisée de leurs formes. Par conséquent, l'équipe a découvert 10 quasars avec des jets en forme de parabole évoluant en cônes. Cette transformation a pu être discernée en raison de la proximité relative des quasars impliqués :chacun des 10 s'est avéré se trouver « à seulement » des millions d'années-lumière. Le « flaring bootleg » s'est produit à une distance d'environ plusieurs dizaines d'années-lumière du trou noir.
"Le mécanisme derrière la formation et l'accélération des jets dans les galaxies actives éloignées n'a pas encore été entièrement compris, pourtant il est crucial que nous comprenions comment fonctionnent ces accélérateurs cosmiques, " a déclaré le professeur Yuri Kovalev de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) et de l'Institut de physique Lebedev de l'Académie des sciences de Russie.
« La région d'où proviennent les jets est difficile à discerner. Elle est très compacte, et la distance à ces objets est si grande que tout s'estompe. Ainsi, alors que plusieurs modèles théoriques étaient disponibles, il n'y avait pas de données d'observation pour les tester. Notre étude est la première à rapporter la géométrie détaillée des jets basée sur des observations d'un grand nombre de quasars, " a ajouté l'astrophysicien.
Comprendre l'invisible
La géométrie du jet résulte d'une interaction complexe entre les forces internes et externes, le champ magnétique, le plasma, et le gaz interstellaire. Les astrophysiciens ont trouvé une manière élégante de rendre compte de ces facteurs. Un moteur central composé d'un trou noir en rotation et d'un champ magnétique fournit une alimentation électrique limitée et ne peut pas pousser les particules à des vitesses de plus en plus élevées indéfiniment, tout comme un moteur de fusée. On savait auparavant que le plasma ne s'accélère facilement que jusqu'à un certain point. Après cela, l'accélération est si lente qu'elle s'arrête effectivement. C'est à ce moment que le pantalon s'évase.
"Des études antérieures ont mis en évidence le changement de forme des jets de quasars observé dans quelques galaxies. Cependant, ils n'ont pas tiré la conclusion qu'il s'agissait d'une propriété de tous les quasars plutôt que des objets individuels concernés. Nous avons épinglé cet effet sur les caractéristiques internes des jets, et cette explication s'est avérée claire et intuitive, " a déclaré le Dr Elena Nokhrina du MIPT.
Les scientifiques ont maintenant une nouvelle façon d'évaluer la vitesse de rotation des trous noirs et de comprendre le mécanisme derrière la formation des jets de plasma incroyablement concentrés et rapides dans les quasars, qui sont si brillants qu'ils sont visibles à des milliards d'années-lumière.
