Au cœur de presque toutes les galaxies se trouve un trou noir supermassif. Mais il existe de nombreux types différents. Les quasars, par exemple, sont l’un des types de centres de galaxies les plus brillants et les plus actifs. Un groupe international, comprenant des chercheurs de l’Institut Max Planck de radioastronomie de Bonn, présente de nouvelles observations de la première quasar jamais identifié. Cet « objet quasi-stellaire », nommé 3C 273, est situé à une distance d’environ 1,9 milliard d’années-lumière en direction de la constellation de la Vierge. Les nouvelles images radio retracent le jet jusqu’à son origine et montrent comment sa largeur varie avec l’augmentation de la distance par rapport au trou noir central.
Zoom au centre : l’image de gauche montre la vue la plus profonde du jet de plasma du quasar 3C 273, nous permettant d’étudier plus en détail la façon dont le jet est focalisé. Le jet s’étend sur des centaines de milliers d’années-lumière au-delà de la galaxie, comme le montre l’image optique de droite, prise par le télescope spatial Hubble. Les chercheurs ont utilisé des images radio à différentes longueurs d’onde et résolutions angulaires pour mesurer l’expansion de l’ensemble du jet. Les interféromètres radio utilisés ici sont le Global Millimeter VLBI Array (GMVA), le Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA) et le High Sensitivity Array (HSA). Crédit image : Hiroki Okino et Kazunori Akiyama ; Images GMVA+ALMA et HSA : Okino et al. ; HST Crédit image : ESA/Hubble & NASA.
Les trous noirs supermassifs actifs émettent des jets de plasma étroits et incroyablement puissants qui s’échappent presque à la vitesse de la lumière. Thomas Krichbaum, astronome à l’Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) à Bonn, en Allemagne, l’un des principaux auteurs de l’ouvrage, déclare : « Ces jets ont été étudiés pendant de nombreuses décennies, mais les détails de la formation des jets ne sont pas bien compris et un sujet de recherche en cours. Un problème non résolu a été de savoir comment et où les jets sont collimatés en un faisceau étroit, ce qui leur permet de se propager à des distances extrêmes au-delà de leur galaxie hôte. Les astronomes réalisent maintenant que ces jets lointains peuvent même affecter l’évolution galactique. Ces nouvelles observations radio sondent jusqu’à 0,5 année-lumière au cœur du trou noir en 3C273 dans la région, où le flux de plasma du jet est collimaté en un faisceau étroit.
Cette nouvelle étude, publiée dans The Astrophysical Journal, comprend des observations du jet 3C 273 à la résolution angulaire la plus élevée. Ce travail révolutionnaire a été rendu possible grâce à l’utilisation d’un ensemble d’antennes radio étroitement coordonnées dans le monde entier, une combinaison du Global Millimeter VLBI Array (GMVA) et du Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) au Chili. De plus, des observations coordonnées ont également été faites avec le High Sensitivity Array (HSA) pour étendre l’étude de 3C 273 à des échelles plus grandes, afin également de mesurer la forme globale du jet. Les données de cette recherche ont été recueillies en 2017, à peu près au même moment où les observations du télescope Event Horizon (EHT) ont révélé les premières images d’un trou noir dans M87, qui est une radiogalaxie environ 20 fois plus proche que 3C273.
Le MPIfR est l’institution chef de file du GMVA. Les données sont traitées au centre de corrélation de l’institut et les observations sont coordonnées depuis l’institut.
« 3C 273 a été étudié pendant des décennies comme le laboratoire le plus proche idéal pour les jets quasars », déclare Hiroki Okino, auteur principal de cet article et doctorant à l’Université de Tokyo et à l’Observatoire astronomique national du Japon. « Cependant, même si le quasar est un proche voisin, jusqu’à récemment, nous n’avions pas l’œil assez aiguisé pour voir où se forme cet étroit et puissant flux de plasma. »
L’image du jet 3C 273 donne aux scientifiques la toute première vue de la partie la plus interne du jet dans un quasar, où se produit la collimation ou le rétrécissement du faisceau. L’équipe a en outre découvert que l’angle du flux de plasma s’éloignant du trou noir est resserré sur une très longue distance. Cette partie rétrécie du jet continue incroyablement loin, bien au-delà de la zone où règne la gravité du trou noir.
« Il est frappant de voir que la forme du flux puissant se forme lentement sur une longue distance dans un quasar extrêmement actif. Cela a également été découvert à proximité dans des trous noirs supermassifs beaucoup plus faibles et moins actifs », explique Kazunori Akiyama, chercheur au MIT Haystack Observatory et chef de projet. « Les résultats posent une nouvelle question : comment la collimation du jet se produit-elle de manière si cohérente dans des systèmes de trous noirs aussi variés ? »
Les nouvelles images extrêmement nettes du jet 3C 273 ont été rendues possibles par l’inclusion de l’interféromètre ALMA, qui a été mis au point pour agir comme un seul grand radiotélescope. Le GMVA et l’ALMA ont été connectés à travers les continents à l’aide d’une technique appelée interférométrie à très longue base (VLBI) pour obtenir des informations très détaillées sur les sources astronomiques distantes. La remarquable capacité VLBI d’ALMA a été rendue possible par l’équipe ALMA Phasing Project (APP). L’équipe internationale APP, dirigée par le MIT Haystack Observatory et le MPIfR, a développé le matériel et les logiciels pour transformer ALMA, un réseau de soixante-six télescopes, en la station d’interférométrie astronomique la plus sensible au monde. La collecte de données à ces longueurs d’onde augmente considérablement la résolution et la sensibilité du réseau VLBI. Cette capacité était fondamentale pour le travail d’imagerie des trous noirs de la GMVA et de l’EHT..
Anton Zensus, directeur du MPIfR et co-auteur du présent travail, conclut : « ALMA rejoignant les réseaux mondiaux VLBI change complètement la donne pour la science des trous noirs. Grâce à cette percée, nous avons obtenu les toutes premières images de trous noirs supermassifs, et maintenant, dans des cas comme 3C 273, cela nous aide à voir pour la première fois de nouveaux détails incroyables sur la façon dont les trous noirs alimentent leurs jets également dans des objets aussi éloignés. ”
La source: MPG
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