Les astronomes découvrent une structure universelle dans les jets des trous noirs

Les jets relativistes sont des flux de particules et de plasma projetés à une vitesse proche de celle de la lumière autour de certains trous noirs. Ils peuvent s’étendre sur des milliers, voire des millions d’années-lumière. On pense qu’ils résultent de l’interaction entre le disque d’accrétion, les champs magnétiques et la rotation du trou noir.

Comprendre comment ces jets se forment reste l’une des grandes énigmes de l’astrophysique des hautes énergies. Les trous noirs peuvent convertir une partie de l’énergie gravitationnelle libérée par la matière qui tombe vers eux en flux relativistes concentrés en faisceaux. Mais les conditions précises qui déclenchent ce mécanisme restent à déterminer.

Une nouvelle étude publiée dans Nature Astronomy a mis en évidence un lien entre la formation des jets autour des trous noirs stellaires et celle des jets autour des trous noirs supermassifs. Les chercheurs ont constaté que ces deux types de trous noirs semblent commencer à émettre des jets au même stade critique de leur cycle d’alimentation, alors que leurs masses diffèrent de plusieurs ordres de grandeur.

Les jets relativistes

Les jets relativistes sont des flux de particules et de plasma projetés à une vitesse proche de celle de la lumière depuis les régions centrales de certains systèmes abritant un trou noir. Ils peuvent s’étendre sur des milliers, voire des millions d’années-lumière, en traversant le milieu interstellaire et intergalactique.

Ces jets s’observent à différentes échelles : dans des systèmes abritant un trou noir de masse stellaire comme dans des galaxies dotées d’un trou noir supermassif. Le rayonnement émis le long du jet peut être détecté dans différentes régions du spectre électromagnétique, notamment dans les ondes radio, les rayons X et les rayons gamma.

Comment se forment-ils ?

Les jets relativistes sont associés à la matière qui orbite autour d’un trou noir et tombe vers lui à travers un disque d’accrétion. Dans cet environnement, le plasma ionisé est traversé par des champs magnétiques, qui peuvent être amplifiés et organisés par la rotation du disque et du trou noir lui-même.

Une partie de l’énergie gravitationnelle libérée lors de l’accrétion peut être convertie en énergie électromagnétique et cinétique, alimentant ainsi les flux de particules. La rotation du trou noir peut également contribuer directement à l’extraction d’énergie, selon un processus décrit par le mécanisme de Blandford-Znajek.

Le lien entre différents types de trous noirs

Malgré leurs masses très différentes, les trous noirs semblent obéir aux mêmes lois physiques fondamentales. Les trous noirs stellaires naissent de l’effondrement gravitationnel d’étoiles massives, tandis que les trous noirs supermassifs, dont la masse atteint des millions ou des milliards de fois celle du Soleil, grossissent pendant des millions, voire des milliards d’années.

Pour surmonter cette difficulté, la nouvelle étude s’est intéressée aux événements de rupture par effet de marée. En analysant 20 de ces événements à différentes longueurs d’onde, les chercheurs ont découvert que des jets peuvent apparaître lorsque le taux d’accrétion tombe à environ 2 % de la limite d’Eddington.

Que reste-t-il à comprendre ?

Malgré ce lien, on ne sait toujours pas précisément quel mécanisme détermine le moment où un trou noir commence à produire un jet. L’étude aide à expliquer pourquoi certains événements de rupture par effet de marée émettent rapidement des ondes radio, tandis que d’autres semblent d’abord inactifs et ne développent un jet que plusieurs jours plus tard.

Cette découverte pourrait également changer la façon d’observer ces phénomènes, en permettant de prévoir les périodes où un trou noir est le plus susceptible de produire un jet de particules. C’est particulièrement utile pour les radiotélescopes, dont le temps d’observation est limité.