IXPE perce les secrets des jets de matière en provenance des trous noirs géants

Une équipe internationale d’astrophysiciens dont certains du CNRS-INSU (voir encadré) a mesuré pour la première fois la polarisation des rayons X en provenance d'un trou noir géant extragalactique grâce à l’Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), un nouveau satellite de la NASA et de l’Agence Spatiale Italienne. Ces mesures mettent en lumière des mystères vieux de plusieurs décennies concernant les objets les plus massifs de l'Univers.

Comment les trous noirs émettent-ils dans tout le spectre électromagnétique à des puissances aussi phénoménales ? Comment accélèrent-ils des particules comme les électrons à des vitesses relativistes jusque dans l'espace interstellaire ? L’IXPE, le tout premier satellite capable de mesurer la polarisation1 de la lumière dans les rayons X avec une précision inédite, va permettre d’élucider certaines des questions fondamentales sur ces objets mystérieux. Le premier noyau actif de galaxie observé par IXPE est Markarian 501, dans la constellation d'Hercule, qui possède un trou noir supermassif (quelques milliards de fois la masse du Soleil). Le gaz de la galaxie s'écoule vers le trou noir à travers un disque d'accrétion. Une petite fraction des particules du gaz accrété est éjectée vers la Terre. Lorsque le plasma circule dans le champ magnétique du jet, il est excité et émet de la lumière, y compris des rayons X et des rayons gamma. Les noyaux actifs de galaxies dont le jet est dirigé vers nous sont appelés blazars et sont les objets les plus brillants du ciel nocturne.

L'équipe a découvert que la lumière des rayons X est plus polarisée que dans l'optique, qui est elle-même plus fortement polarisée qu’en radio. Dans le même temps, l'orientation de la lumière polarisée est la même des ondes radio aux rayons X et alignée avec la direction du jet sur le ciel.  L’équipe montre que les particules qui produisent la lumière sont énergisées par des ondes de choc qui se forment à l'intérieur du jet. Ces nouvelles observations ont permis d’éliminer nombre de modèles basés sur des considérations purement spectroscopiques ou temporelles et ont clarifié le rôle de la turbulence dans les jets. Ce résultat montre clairement que les ondes de choc sont responsables de la lumière provenant des blazars.

• 1La polarisation est une propriété de la lumière. Plus précisément, c'est la direction moyenne du champ électrique des ondes électromagnétiques qui composent la lumière. Cette orientation des ondes et le degré de polarisation de cette lumière contiennent des informations précieuses sur le champ magnétique qui ne peuvent être obtenues par aucun autre moyen à la disposition des scientifiques.