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Le trou noir supermassif de la Voie Lactée

Simulation de l'image du trou noir supermassif Sgr A* et de son disque d'accrétion que pourrait observer les astronomes grâce à l'installation VLBI de l'Event Horizon Telescope. Document extrait de A.Broderick et A.Loeb (2009).

A la recherche du trou noir galactique (I)

A 8.33 kpc (27156 a.l.) du système solaire, au coeur même de la Voie Lactée, une région couvrant 30 pc (100 a.l.) fait preuve d'une activité très exotique.

Dans un espace réduit à 0.3° d’arc se trouve cinq sources étendues de rayonnement intense dont l'une est baptisé "Sagittarius A", alias Sgr A. Elle se divise en deux composantes, Sgr A East et Sgr A West. La première zone s'étend sur 3' (8 pc) et présente un spectre non thermique vraisemblablement entretenu par le rayonnement de supernovae. Sgr A West est plus petite (2 pc). Au centre de cette structure s'agglomère quelque 5 millions d'étoiles sur 3 années-lumière !

Comme on le voit ci-dessous, sa cartographie en proche infrarouge (2.2 et 10 mm) a permis d'y déceler une vingtaine de sources d'émissions dont certaines éjectent des filaments longs d'une centaine d'années-lumière. Cet environnement est vraiment très suspect et suscita l’intérêt de nombreux chercheurs.

La source présentant le comportement le plus étrange est un objet ponctuel baptisé Sgr A*, l'astérisque rappelant qu'il s'agit d'un objet de taille stellaire. Il se situe exactement aux coordonnées équatoriales : 17h 45m 40.03599s d'ascension droite et -29° 00′ 28.1699″ de déclinaison.

A l'intérieur du parsec central, les étoiles jouent un rôle gravitationnel primordial. Dans cette région les étoiles sont tellement proches les unes des autres que les collisions, y compris des effets de marées gravitationnelles sont suffisamment fréquents pour éjecter dans le milieu interstellaire d'énormes quantités de gaz.

Cette région contient 3 sources très intenses, IRS7, IRS11 et IRS16 qui couvrent une surface de moins de 20" d'arc. L'une d'elles, IRS16 considérée tout un temps comme le centre de la Voie Lactée, se trouve à environ 1" (0.04 pc) à l'Est de Sgr A* et couvre 3 années-lumière. Elle représente une masse d'environ 10 millions de soleils. Elle émet un rayonnement radioélectrique thermique, typique des régions HII.

IRS16 a été résolue en une vingtaine de composantes compactes. Il s'agirait d'un jeune amas d'étoiles contenant soit des étoiles superbleues géantes soit des étoiles proche du stade Wolf-Rayet en train de perdre leur masse (jusqu'à 10-4 M/an) en libérant des gaz à la vitesse prodigieuse de quelque 1000 km/s (3.6 millions de km/h).

Le coeur de la Voie Lactée

Ci-dessus à gauche, la croix indique le centre de la Galaxie. Contrairement aux apparences c'est une région excessivement peuplée mais que des nuages de poussières nous empêchent de voir. Non loin de là, l'étoile IRS8 a été éjectée à plusieurs centaines de km/s suite à une perturbation invisible, probablement une interaction avec le trou noir supermassif situé au centre de la Voie Lactée, au coeur de la source Sgr A*, créant devant elle une gigantesque onde de choc. Au centre, une vue générale réalisée à 21 cm de longueur d'onde de la source Sgr A* et du résidu de supernova qui l'entoure formant une bulle. A droite, une image haute résolution réalisée par interférométrie VLBI. Le point central blanc est la source Sgr A* (en rouge sur l'image du centre). Cet objet de forme oblonge dans le sens N-S mesure 1 UA x 3.6 UA. Documents Gemini North, VLA et NRAO.

Au centre de cette région, le plasma est porté à 35000 K et le rayonnement devient non thermique, irradiant l’espace de rayons cosmiques sur lesquels se superpose un effet synchrotron provoqué par d’intenses champs magnétiques. Les filaments de plasma chauds découverts dans cette zone ont été corroborés par les observations radios du réseau interférométrique Karl Jansky (ex-VLA).

On a ainsi découvert une structure connue sous le nom d'"éperon galactique". Elle s'étend sur plus de 60 pc et est constituée de filaments magnétiques parallèles entourés de matière ionisée[1]. Son origine n’est pas encore élucidée mais les dernières études indiquent qu'il est vraisemblablement lié à la présence de ce trou noir galactique supermassif.

Sgr A West et Sgr A East

A gauche, la source Sgr A West observée à 6 cm de longueur d'onde par le VLA met en évidence le gaz ionisé par les étoiles jeunes et chaudes. Dans cette structure s'agglomère quelque 5 millions d'étoiles sur 3 années-lumière ! Noter la forme en spirale que prend le gaz. On suppose qu'il s'engouffre vers un objet massif et compact, peut-être le trou noir qui se cache au centre. Au centre, le coeur de la structure observé en rayons X par le satellite Chandra présente de temps en temps des éruptions qui durent environ 3 heures (taches blanches) puis la luminosité retombe à son intensité antérieur. Ces phénomènes témoignent de l'existence d'un rayonnement d'origine non thermique probablement émis par un gaz chaud porté à très haute température suite à son interaction avec un corps massif et compact. Les astrophysiciens pensent qu'un trou noir situé au centre de cette structure serait responsable de ces manifestations. Etant donné le comportement de cette émission les astrophysiciens estiment que l'émetteur ne devait pas mesurer plus de la distance qui nous sépare du Soleil, soit 1 UA. A droite, des filaments s'écartent du disque nucléaire perpendiculairement au plan galactique sur 20" (~1 pc ou 3.26 a.l) tandis qu'un halo lumineux de 8' (80 a.l.) entoure Sgr A East. Document VLA réalisés à 21 cm de longueur d'onde et Chandra/NASA/MIT/F.Baganoff et al.

Au coeur de Sgr A*

Au coeur de Sgr A*, les astronomes de la NASA ont découvert une structure de 10 pc de diamètre dont la partie centrale s'est évaporée. Cette région émet un rayonnement ultraviolet intense et des particules animées de vitesses relativistes.

Grâce au réseau de radiotélescopes Karl Jansky, c'est dans cette cavité centrale que les radioastronomes ont découvert la petite structure spiralée schématisée ci-dessous à droite, dont les deux bras semblent s'étendre à partir d'un nuage de gaz et de poussières d’environ 1 pc de rayon. Le bras nord de la structure en spirale émet un rayonnement intense et continu entre 20-300 microns. Ce rayonnement est induit par des grains de poussières portés entre 50 et 100 K. Le parsec central dans lequel se trouve la source Sgr A* brille avec une luminosité estimée entre 10 et 20 millions de fois celle du Soleil !

Le centre de la Voie Lactée observé à 2.2 microns par le CFHT également muni d'une optique adaptative. La résolution atteint 0.19". L'image couvre un champ de 20" x 20" et large d'environ 2 années-lumière. Sur la légende on reconnaît Sgr A* près des lettres "SW" et la source IRS 16. Cette région abrite un trou noir supermassif d'environ 3.6 millions de masses solaires. A droite du centre, représentation schématique des différentes composantes dans les 10 pc centraux autour du centre Galactique. La zone bleue représente la région diffuse la plus ionisée comprenant la cavité centrale (CC), le résidu de supernova Sgr A East ( SNR) et le halo radio. La zone rouge représente les régions moléculaires les plus denses, comprenant l'anneau circumnucléaire (CNR), le nuage M Sud (SC) ou nuage "20 km/s", le nuage M Est (EC) ou nuage "50 km/s", la crête moléculaire (MR), le courant sud (SS), le courant ouest (WS) et la crête Nord (NR). La position de Sgr A* est indiquée par le signe + au centrale du disque incliné au coeur duquel se trouve le trou noir supermassif. Documents National Research Lab Navy et K.Ferrière. A droite, simulation de l'image en fausses couleurs du trou noir supermassif Sgr A* (modèle MBQ) que pourrait observer les astronomes grâce à l'installation VLBI de l'Event Horizon Telescope. Document extrait de A.Ricarte et J.Dexter (2014).

Les astronomes savent aujourd'hui que la structure en spirale représente son disque d'accrétion. On suppose que la matière s'engouffre en spirale vers cet objet massif et compact, ce qui provoque les effets dynamiques et relativistes que l'on constate. A l'heure actuelle les astronomes ne peuvent s'expliquer l'origine de cette cavité centrale ni sa persistance dans une région si chaotique sans invoquer un trou noir supermassif[2].

Par ailleurs, on a découvert que le disque d'accrétion entourant le trou noir de Sgr A* produisait des étoiles massives. Or tous les astronomes considèrent généralement qu'un disque protostellaire ne peut pas résister aux forces de marée engendrées par un trou noir et devrait se disperser au lieu de s'effondrer sur lui-même. C'est pourtant ce qu'on observe autour de Sgr A*. Il semblerait que la gravité régnant dans le disque de poussière soit suffisante pour vaincre les forces de marée du trou noir. Ce disque est très massif et contient des millions de masses solaires.

Au coeur de Sgr A*. A gauche, cette image réalisée en 2005 par l'observatoire orbital rayon X Chandra révèle les émissions X de relativement faibles énergies de la région entourant Sagittarius A*, le trou noir qui se situe au centre de la Voie Lactée (rouge = 2-3.3 keV, vert=3.3-4.7 keV, bleue=4.7-8 keV). L'image couvre un champ large de 5.6". Cette région produit des étoiles massives qui se forment à partir de l'immense disque de gaz qui entoure Sgr A*. Paradoxalement, selon le modèle standard de formation stellaire, les nuages de gaz formant les étoiles doivent être déchiquetés par les forces de marées engendrées par le trou noir supermassif. Dans ce cas-ci la gravité régnant dans le disque dense de poussière entourant Sgr A* résiste aux forces de marées du trou noir. Ces forces antagonistes favorisent même la formation d'un taux d'étoile supérieur à la normale. A droite, un autre schéma du noyau Galactique et de Sgr A*. Cette zone contient un disque central d'environ 10 pc dans lequel on a découvert la source IRS16 ainsi qu'une structure radio en spirale entourant une cavité pratiquement vide de poussière. Voir le texte pour les explications. Documents Chandra et T.Lombry adapté d'un document du Max-Planck Institute.

Parmi les autre indices de l'existence du trou noir supermassif, le réseau Karl Jansky a mis en évidence que Sgr A*, proche de IRS16 est tellement turbulent que les vents stellaires soufflent à 1500 km/s, étirant l'atmosphère de l'une des étoiles sur plus de 0.5 a.l., créant un véritable cataclysme cosmique !

Non loin de là, sur une distance d’environ deux années-lumière, les vents stellaires sont accélérés, passant de 150 à plus de 700 km/s. A côté de cela, Sgr A* présente une remarquable stabilité; il n'a pas subi le moindre déplacement en sept ans d'observation[3].

C'est pourquoi certains astrophysiciens ont suggéré que de tels effets ne pouvaient être provoqués que par un objet massif et ponctuel de 107 M contenu dans IRS16 elle-même et dont l’influence s’étend sur environ 2 pc. Mais le spectre[4] de Sgr A* ne coïncide pas avec celui de IRS16 et ni l’un ni l’autre ne présentent les fameuses émissions X et gamma caractéristiques de l’interaction du milieu avec un trou noir.

Venons-en à présent à l'identification des différentes sources de rayonnement X et gamma afin de déterminer si elles sont ou non en relation avec le trou noir supermassif que nous recherchons.

Prochain chapitre

Les sources de rayonnement X et gamma

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[1] D.Allen et R.Sanders, Nature, 319, 1986, p191.

[2] J.Lacy et al., Astrophysical Journal, 241, 1982, p132 - E.Becklin et al., Astrophysical Journal, 258, 1982, p135 - R.Ekers et al., Astronomy and Astrophysics, 122, 1983, p143 - K.Lo et M.Claussen, Nature, 306, 1983, p647 - L.Blitz et al., Nature, 361, 1993, p417.

[3] B.Balick et R.Brown, Astrophysical Journal, 194, 1974, p265.

[4] R.Genzel, A.Eckart et A.Krabbe (Max-Planck Institut für Extraterrestrische Physik, Garching), Annals of the New York Academy of Sciences, 7th Texas Symposium on Relativistic Astrophysics and Cosmology, Vol. 759, Sept 30, 1995, "The Galactic Center" - R.Sunyaev et al., Astrophysical Journal, 425, 1994, p110 - N.Gehrels et J.Tueller, Astrophysical Journal, 407, 1993, p597 - M.Morris, “The Center of the Galaxy”, op.cit., Dordrecht, 1989 - R.Genzel et C.Townes, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 25, 1987, p377 - G.Skinner et al., Nature, 330, 1987, p544.


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