Depuis plus d'un demi-siècle, les astrophysiciens tentent de répondre à une question apparemment simple : où exactement les rayons X sont-ils produits dans les jets des trous noirs supermassifs. Aujourd'hui, grâce à la plus longue observation d'une cible unique par le télescope spatial IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), ce mystère est enfin résolu. Une équipe internationale de scientifiques a réussi à identifier la source des rayons X dans le jet du trou noir de la galaxie 3C 84 au centre de l'amas de galaxies de Persée, et a publié les résultats dans la revue The Astrophysical Journal Letters le 11 novembre de cette année.
Il s'agit d'un tournant pour l'astronomie des hautes énergies : de nouvelles mesures montrent que les rayons X ne proviennent pas d'un "fond" diffus autour du jet, mais du jet lui-même. C'est la première fois qu'une telle conclusion est tirée d'une mesure directe de la polarisation des rayons X, spécialité de la mission IXPE de la NASA, le premier observatoire spatial dédié précisément à ce type d'observation.
L'amas de Persée : le phare à rayons X le plus brillant du ciel
Pour résoudre ce mystère, les scientifiques ont transformé l'amas de Persée en une sorte de laboratoire cosmique. Ce gigantesque amas de galaxies, répertorié sous le nom d'Abell 426, est situé dans la constellation de Persée à une distance d'environ 230 à 240 millions d'années-lumière de la Terre. L'amas de Persée est l'une des structures les plus massives de notre "voisinage" et est connu comme l'amas de galaxies le plus brillant dans le ciel des rayons X : entre des milliers de galaxies est dispersé un immense nuage de gaz chauffé à des températures comparables à l'intérieur incandescent du Soleil.
Au centre même de cet amas se trouve la galaxie elliptique massive NGC 1275, également connue sous les noms de Persée A ou, dans les catalogues radio, 3C 84. En son cœur se trouve un trou noir supermassif qui crée un puissant noyau galactique actif (AGN) et propulse des jets de particules chargées à des vitesses proches de celle de la lumière. En raison de sa proximité relative et de son exceptionnelle luminosité, 3C 84 est l'une des galaxies actives les plus étudiées en détail depuis des décennies – une cible idéale pour comprendre comment les trous noirs façonnent leur environnement.
L'environnement autour de NGC 1275 est particulièrement spectaculaire. Les images en rayons X et en ondes radio montrent des cavités et des "bulles" creusées par les jets dans le gaz chaud de l'amas, ainsi que des ondes de pression se propageant dans le milieu intra-amas. C'est précisément cet environnement turbulent qui a longtemps troublé les astronomes : parmi la multitude de sources de rayons X superposées, il était extrêmement difficile de séparer le signal provenant du jet du rayonnement émis par l'amas de galaxies lui-même.
IXPE : le télescope qui "voit" l'orientation de la lumière
L'astronomie des rayons X en tant que discipline existe depuis des décennies, mais l'IXPE apporte quelque chose qui manquait jusqu'à présent : la possibilité de mesurer avec précision la polarisation du rayonnement X. La polarisation décrit l'orientation de l'oscillation des ondes lumineuses. Si les ondes oscillent de manière aléatoire dans toutes les directions, la lumière est non polarisée ; si elles sont significativement alignées, on parle de lumière polarisée. C'est précisément ce degré d'alignement qui porte des informations sur la géométrie des champs magnétiques et sur les processus physiques qui créent des photons de haute énergie.
IXPE est une mission conjointe de la NASA et de l'Agence spatiale italienne. Lancée en décembre 2021, elle est équipée de trois télescopes qui focalisent les rayons X sur des détecteurs de polarisation particulièrement sensibles. En combinant des informations spatiales, spectrales et temporelles, l'IXPE peut "cartographier" la polarisation de la lumière dans différentes parties de la source – par exemple le long d'un jet de trou noir ou à l'intérieur d'un rémanent de supernova – ce qui n'était possible auparavant avec aucun autre télescope à rayons X.
L'amas de Persée n'a pas été choisi par hasard pour la plus longue observation de l'IXPE à ce jour. En plus d'être exceptionnellement brillant en rayons X, il abrite en son centre 3C 84, l'un des laboratoires les plus célèbres pour l'étude de la physique des jets. Ainsi, en une seule campagne, la mission a pu simultanément tester les capacités du télescope à l'échelle de l'amas de galaxies entier et se concentrer sur une seule galaxie active, mais extrêmement importante, située en son cœur.
Soixante jours de regard continu sur le même coin de l'univers
Pendant 60 jours d'observation ininterrompue entre janvier et mars, l'IXPE a recueilli plus de 600 heures de données sur l'amas de Persée. Il s'agit de loin de la plus longue observation focalisée d'une cible unique dans l'histoire de la mission et c'est aussi la première fois que l'IXPE étudie systématiquement un amas de galaxies.
Une telle observation marathon a permis d'obtenir des statistiques d'une qualité exceptionnelle pour mesurer la polarisation des rayons X, mais elle a aussi soulevé un nouveau problème : comment isoler la contribution de la galaxie 3C 84 elle-même de la "mer" de rayons X. C'est là qu'interviennent d'autres télescopes spatiaux. L'observatoire de rayons X Chandra de la NASA, connu pour ses images de rayons X extrêmement nettes, a servi à séparer précisément l'émission du jet de l'éclat diffus du gaz chaud dans l'amas. Les missions NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) et Neil Gehrels Swift ont ajouté des données dans des plages d'énergie plus élevées et sur un intervalle de temps plus large.
Ce n'est qu'en combinant toutes ces données – les mesures de polarisation de l'IXPE et les images et spectres de Chandra, NuSTAR et Swift – que les scientifiques ont pu affirmer avec confiance : cette partie du signal provient bien du jet du trou noir de 3C 84, et non d'une autre source dans l'amas.
Comment les rayons X se forment dans les jets des trous noirs
On savait depuis un certain temps que les rayons X provenant des jets des galaxies actives sont produits par un processus appelé diffusion Compton inverse. Dans ce processus, des photons de plus basse énergie – par exemple des photons radio ou infrarouges – "entrent en collision" avec des électrons très rapides dans le jet et gagnent de l'énergie ce faisant, passant dans le domaine des rayons X. La question clé était : d'où proviennent ces photons initiaux, dits "photons de semence" (seed photons), qui sont ensuite accélérés en rayons X.
Deux possibilités principales existaient. Dans le scénario de l'auto-diffusion synchrotron (SSC - synchrotron self-Compton), les photons initiaux sont créés dans le jet lui-même. Les mêmes électrons qui spiralent autour des lignes de champ magnétique et émettent un rayonnement synchrotron de plus basse énergie augmentent ensuite, par collision, l'énergie de ces photons jusqu'au domaine des rayons X. Dans le scénario alternatif de la diffusion Compton externe (external Compton), les photons initiaux proviennent de "l'environnement" – du disque d'accrétion, des nuages de gaz autour de la galaxie ou même du fond diffus cosmologique.
Les deux scénarios peuvent expliquer la quantité totale de rayons X observée, mais ils prédisent des motifs de polarisation différents. Si les photons proviennent d'un rayonnement synchrotron organisé dans le jet, on s'attend à ce que la lumière X soit modérément polarisée, avec une direction de polarisation liée à la géométrie du jet et du champ magnétique. Si, en revanche, les photons proviennent de toutes les directions possibles de l'extérieur, le signal final devrait être beaucoup plus faiblement polarisé et "étalé" selon les directions.
Un indice décisif : quatre pour cent de polarisation
L'IXPE a apporté l'information clé précisément sur ce détail. Les mesures ont montré que la lumière X de 3C 84 est polarisée en moyenne d'environ 4 pour cent. Bien que cette valeur puisse paraître modeste à première vue, elle est en très bon accord avec les prédictions du modèle d'auto-diffusion synchrotron et est difficile à concilier avec un scénario de Compton externe dominant.
Plus important encore, des observations simultanées dans les domaines optique et radio, menées par des télescopes à travers le monde, ont montré des niveaux de polarisation similaires et des orientations apparentées des vecteurs de polarisation. Cela signifie que les photons à travers tout le spectre électromagnétique – des ondes radio aux rayons X – sont créés et façonnés dans le même système physique : dans le jet éjecté par le trou noir supermassif au centre de 3C 84.
Les auteurs de l'étude soulignent qu'on savait déjà que les rayons X chez des sources comme 3C 84 provenaient de la diffusion Compton inverse, mais qu'il n'était pas possible de distinguer lequel des deux scénarios était le bon. L'IXPE a maintenant, pour la première fois, permis de mesurer directement les propriétés des photons initiaux. Le fait que la polarisation ait été clairement détectée dans les rayons X exclut presque totalement la possibilité que l'émission soit dominée par le mécanisme Compton externe et plaide fortement en faveur du modèle dans lequel le jet "recycle" son propre rayonnement.
3C 84 : une galaxie, plusieurs rôles
La galaxie 3C 84 est depuis longtemps spéciale aux yeux des astronomes. En tant que membre le plus brillant de l'amas de Persée, elle est essentielle pour comprendre comment les trous noirs supermassifs affectent leur environnement galactique et intergalactique. Les images du télescope spatial Hubble révèlent des filaments complexes de gaz et de poussière ainsi que des traces de collisions galactiques, tandis que les observations en rayons X montrent d'énormes cavités que les jets ont "percées" dans le gaz chaud de l'amas.
Les radiotélescopes, y compris le réseau mondial Event Horizon Telescope, ont cartographié les jets de 3C 84 à diverses échelles spatiales et ont découvert qu'ils subissent probablement une légère précession – ils "oscillent" lentement dans l'espace – ce qui crée des motifs complexes dans le rayonnement radio. Tout cela fait de 3C 84 l'une des galaxies actives les plus étudiées en détail et un laboratoire idéal pour tester les théories sur le lancement des jets, le rôle des champs magnétiques et la rétroaction entre le trou noir et le gaz environnant.
Les nouveaux résultats de l'IXPE ajoutent désormais un autre rôle important à cette galaxie : 3C 84 devient un objet de référence pour comprendre comment le rayonnement synchrotron et la diffusion Compton inverse se rejoignent en une image unifiée de l'émission du jet à travers tout le spectre, des longueurs d'onde radio aux rayons X.
La force d'une campagne conjointe d'observatoires spatiaux et terrestres
L'un des aspects les plus frappants de cette recherche est la manière dont elle a été menée. L'IXPE n'a pas agi seul – pendant la campagne de soixante jours, des dizaines de télescopes optiques et radio sur Terre ont périodiquement pointé leurs antennes et miroirs vers 3C 84 pour suivre les changements de luminosité et de polarisation dans différentes parties du spectre. Simultanément, les missions spatiales Chandra, NuSTAR et Swift ont fourni des données cruciales dans le domaine des rayons X.
Une telle campagne multifréquence coordonnée a permis d'observer le même processus physique sur plusieurs "longueurs d'onde" simultanément. Lorsque l'IXPE a mesuré environ 4 % de polarisation dans les rayons X, les scientifiques ont pu vérifier si quelque chose de similaire se produisait dans les domaines optique et radio. Le fait que la réponse soit affirmative a donné un poids supplémentaire à la conclusion qu'il s'agit d'une auto-diffusion synchrotron dans le jet, et non d'une combinaison aléatoire de sources non liées.
Le projet illustre également comment les expériences astrophysiques modernes fonctionnent comme des entreprises mondiales. Des scientifiques et des institutions de douze pays participent à la recherche, et la mission est gérée par le Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville et l'Agence spatiale italienne, avec le soutien opérationnel de BAE Systems et du Laboratory for Atmospheric and Space Physics de l'Université du Colorado.
Ce que cette découverte nous dit sur les trous noirs et l'univers
Bien qu'on puisse penser au premier abord qu'il s'agit d'un résultat spécialisé n'intéressant qu'un cercle étroit d'experts, les conséquences de cette découverte vont beaucoup plus loin. Les jets des trous noirs supermassifs sont essentiels à la formation et à l'évolution des galaxies et des amas de galaxies : ils chauffent le gaz environnant, peuvent empêcher son refroidissement et la formation de nouvelles étoiles, et redirigent d'énormes quantités d'énergie à des échelles intergalactiques.
Pour intégrer ces processus dans les simulations informatiques du développement de l'univers, nous devons mieux comprendre comment les jets se forment, comment ils s'accélèrent et où exactement ils produisent le rayonnement que nous voyons. Les nouvelles mesures de l'IXPE fournissent une pièce importante de ce puzzle, montrant qu'au moins dans le cas de 3C 84, une partie cruciale des rayons X est créée à l'intérieur même du jet, et ce dans des régions déjà identifiées comme des zones de chocs et de rayonnement synchrotron accru.
Les résultats serviront de référence pour les observations futures d'autres galaxies actives et blazars – des objets dont le jet est pointé presque exactement vers nous. En comparant avec 3C 84, les astronomes pourront évaluer à quel point les mécanismes de création des rayons X sont universels et à quel point ils dépendent de conditions spécifiques à chaque galaxie, comme la force du champ magnétique ou la vitesse de rotation du trou noir.
Prochaines étapes pour l'IXPE et l'exploration de l'amas de Persée
Bien que le mystère de l'origine des rayons X dans le jet de 3C 84 soit largement résolu, le travail de la mission IXPE est loin d'être terminé. Les scientifiques continuent d'analyser les données collectées dans d'autres parties de l'amas de Persée, à la recherche de signaux de polarisation supplémentaires. Ils s'intéressent particulièrement aux motifs plus larges dans le gaz intra-amas et aux traces potentielles de structures de champs magnétiques encore plus complexes à l'échelle de l'amas tout entier.
Simultanément, l'IXPE continue d'observer d'autres types de sources : rémanents de supernovae, pulsars, systèmes binaires avec trous noirs et étoiles à neutrons. Chacun de ces objets offre un "laboratoire" différent pour tester la physique dans des conditions extrêmes, des champs magnétiques ultra-puissants aux potentiels gravitationnels qui ne peuvent être reproduits dans les laboratoires sur Terre.
La mission était initialement prévue pour durer quatre ans, mais les résultats obtenus jusqu'à présent – y compris cette découverte dans l'amas de Persée – montrent que le potentiel de l'IXPE dépasse largement les attentes initiales. Tant que le télescope et ses instruments resteront en bon état, la communauté scientifique prévoit d'exploiter au maximum la possibilité unique de mesurer directement la polarisation de la lumière X provenant de certains des objets les plus extrêmes de l'univers.
L'amas de Persée reste ainsi l'un des "terrains d'essai" spatiaux clés où l'on étudie comment les trous noirs supermassifs affectent des centaines et des milliers de galaxies ainsi que les immenses nuages de gaz chaud qui les entourent. Grâce à l'IXPE et à ses partenaires, ce laboratoire est désormais observé sous un jour totalement nouveau – littéralement et métaphoriquement – nous révélant comment les jets des trous noirs produisent des rayons X et quel rôle ils jouent dans le façonnement de l'univers aux plus grandes échelles.
Des informations plus détaillées sur les objectifs scientifiques, les instruments et les observations actuelles sont disponibles sur la page officielle de la mission IXPE.
Trouvez un hébergement à proximité
Heure de création: 8 heures avant