Des physiciens mesurent pour la première fois la puissance des jets de trous noirs : 10 000 fois plus puissants que le Soleil

Une première mesure après 18 ans d’observation

Les physiciens viennent de franchir un cap majeur dans la compréhension des phénomènes les plus énergétiques de l’univers. Après avoir analysé 18 années complètes d’observations, une équipe internationale de chercheurs a réussi à mesurer la puissance réelle des jets émis par un trou noir. Une première mondiale qui dévoile des forces colossales : ces jets libèrent une énergie équivalente à 10 000 fois celle produite par notre Soleil.

Cette percée scientifique repose sur une opportunité rare offerte par le système Cygnus X-1, situé à 7 000 années-lumière de notre système solaire. En utilisant un réseau de radiotélescopes interconnectés répartis sur l’ensemble du globe pour atteindre une résolution maximale, les astronomes ont pu observer comment les jets produits par ce trou noir étaient déformés par une étoile massive située à proximité. Cette déformation a permis de confirmer que les jets relâchent 10 pour cent de l’énergie provenant de la matière qui tombe dans le trou noir.

Cette rare opportunité offre un aperçu précieux sur ces structures hautement énergétiques qui influencent l’évolution de l’univers dans son ensemble. Au-delà de la simple curiosité scientifique, cette découverte pourrait transformer notre compréhension des trous noirs supermassifs, des millions de fois plus grands que Cygnus X-1.

Cygnus X-1, le pionnier des trous noirs connus

Cygnus X-1 occupe une place particulière dans l’histoire de l’astronomie moderne. Il est reconnu comme le tout premier objet largement accepté par la communauté scientifique comme étant un trou noir. Sa proximité relative avec notre système solaire, à 7 000 années-lumière de distance, en fait un laboratoire naturel idéal pour étudier ces phénomènes extrêmes. Savoir ce qui se passe avec un tel phénomène si proche de nous présente un intérêt évident, mais les auteurs de cette recherche estiment que la véritable portée de leur travail réside dans ce qu’il révèle sur les trous noirs supermassifs, des millions de fois plus massifs.

Les trous noirs sont célèbres pour posséder des champs gravitationnels si puissants que même la lumière ne peut leur échapper. Pourtant, ils peuvent aussi compter parmi les objets les plus lumineux de l’univers. Cette luminosité provient à la fois du rayonnement émis par leurs disques d’accrétion et des jets puissants causés par l’expulsion magnétique de matière. Bien que les astronomes aient observé ces deux phénomènes, une incertitude considérable demeurait quant à la puissance réelle des jets par rapport à la source d’énergie qui les alimente.

Le système Cygnus X-1 se compose d’un trou noir possédant une masse 21 fois supérieure à celle du Soleil, en orbite autour duquel gravite une étoile de type O d’une masse de 41 fois celle de notre étoile. Les deux corps sont verrouillés dans une orbite serrée, et l’étoile produit un vent stellaire d’une puissance énorme.

Mesurer la courbure des jets sous le vent stellaire

Les astronomes ont saisi cette opportunité presque unique pour mesurer la puissance des jets avec précision. James Miller-Jones, chercheur au nœud Curtin du Centre international australien de radioastronomie, a expliqué à IFLScience le principe de la méthode : « Si le jet est très puissant, il ne remarquera pas le vent. » En revanche, un jet moins puissant sera déformé par la force qu’exerce le vent. Cette déformation devient alors un indicateur direct de la puissance du jet.

Une complication existe toutefois. Selon Miller-Jones, la plupart des jets de masse stellaire s’allument et s’éteignent avec le temps, nous privant d’un enregistrement étendu permettant de mesurer la courbure. Cygnus X-1 se prête à ce travail non seulement parce qu’il contient une étoile dotée d’un vent si puissant, mais aussi parce que le trou noir s’est « alimenté » en continu pendant des décennies. À cela s’ajoute le fait qu’il est suffisamment proche pour que nous puissions résoudre la forme des jets avec précision.

En utilisant des images collectées par le réseau VLBI européen avec une technique appelée interférométrie à très longue base (VLBI) — une technique similaire à celle utilisée pour imager M87*, le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée — Miller-Jones et ses collègues ont découvert que le vent de l’étoile de type O induisait une courbure de 5,2 degrés dans l’angle des jets du trou noir.

Une puissance colossale enfin quantifiée

Tout cela n’aurait eu que peu de valeur si la force du vent était restée inconnue. Mais Miller-Jones a précisé à IFLScience : « Nous savons grâce aux études optiques quelle quantité de masse est perdue chaque seconde dans le vent et à quelle vitesse le vent se déplace, nous connaissons donc la quantité de moment, et par conséquent la force appliquée au jet. » Cette connaissance précise du vent stellaire a permis de transformer l’observation de la courbure en une mesure absolue de puissance.

À partir de ces données, Miller-Jones et ses co-auteurs ont conclu que le jet libère environ 2 fois 10 puissance 37 ergs par seconde, soit presque 10 000 fois la production du Soleil. Pour la plupart d’entre nous, l’effet principal de ce chiffre est de tordre nos esprits, sans doute plus que le jet de Cygnus X-1 n’est lui-même déformé. Cependant, l’équipe s’intéressait davantage au rapport entre la puissance des jets et l’énergie infaillante qui les alimente.

« Une découverte clé de cette recherche est qu’environ 10 pour cent de l’énergie libérée lorsque la matière tombe vers le trou noir est emportée par les jets », a déclaré Steve Prabu de l’Université d’Oxford dans un communiqué. Ce ratio de 10 pour cent représente une information fondamentale pour comprendre l’efficacité énergétique de ces structures cosmiques.

Des implications pour les géants supermassifs

« Nous aimerions toujours avoir un échantillon plus grand », a confié Miller-Jones à IFLScience, « mais nous pensons que c’est raisonnablement typique. » Plus important encore, Miller-Jones et ses collègues estiment que ce ratio est invariant d’échelle. Autrement dit, bien que les jets créés par les trous noirs supermassifs au cœur des galaxies soient infiniment plus puissants, ils sont suspectés de maintenir une relation similaire entre l’énergie entrante et sortante.

Cela, a souligné Miller-Jones, est très important car « les jets des trous noirs supermassifs sont les choses les plus puissantes de l’univers. L’énergie libérée par la matière tombant sur les trous noirs supermassifs a un effet majeur sur l’évolution de la galaxie elle-même et sur l’univers entier. » Cette déclaration met en lumière les enjeux cosmologiques de cette recherche : comprendre ces jets à petite échelle permet de modéliser les phénomènes qui sculptent les galaxies.

Auparavant, les astronomes avaient produit des estimations assez similaires concernant la puissance de ces jets, mais avec un faible niveau de confiance. Miller-Jones a expliqué à IFLScience que ces estimations provenaient de la mesure de la taille des bulles, généralement larges de plusieurs années-lumière, que les jets gonflent dans l’espace interstellaire. Cependant, les bulles ne donnent que la puissance moyenne d’un jet sur de longues périodes. Sans connaître le taux d’alimentation pendant cette période, elles ne fournissent pas une relation fiable entre le taux d’alimentation et la puissance du jet. Cette nouvelle mesure change la donne.

Une fenêtre ouverte sur l’évolution cosmique

Cette mesure directe de la puissance des jets de Cygnus X-1 représente bien plus qu’une simple prouesse technique. Elle établit pour la première fois un lien quantitatif précis entre la matière qui alimente un trou noir et l’énergie colossale que celui-ci projette dans l’espace sous forme de jets. En confirmant que 10 pour cent de l’énergie d’accrétion est convertie en puissance de jet, les chercheurs offrent un paramètre crucial pour les modèles théoriques.

L’importance de cette découverte dépasse largement le cas particulier de Cygnus X-1. Si ce ratio de 10 pour cent se confirme comme une constante universelle, applicable aux trous noirs de toutes tailles, les scientifiques disposeront d’un outil prédictif pour comprendre comment les trous noirs supermassifs ont façonné les galaxies au fil de milliards d’années. Les jets de ces géants cosmiques injectent une énergie phénoménale dans leur environnement, régulant la formation d’étoiles et influençant la structure à grande échelle de l’univers.

L’étude est disponible en accès libre dans la revue Nature Astronomy. Cette publication marque une étape décisive dans notre compréhension des mécanismes les plus énergétiques du cosmos, ouvrant la voie à de nouvelles recherches sur les forces qui gouvernent l’évolution de l’univers depuis le Big Bang.

Selon la source : iflscience.com