samedi 2 mars 2019

Détection de nouvelles superbulles galactiques


Des astrophysiciens viennent de découvrir dans le domaine des rayons X deux "superbulles" qui s'étendent de part et d'autre du trou noir supermassif de la galaxie NGC 3079 sur plusieurs milliers d'années-lumière. Des structures très similaires aux "bulles de Fermi" qui avaient été détectées il y a huit ans dans le domaine des rayons gamma de part et d'autre du plan de notre galaxie...




C'est avec le télescope spatial Chandra que Jiang-Tao Li (Université du Michigan) et ses collaborateurs ont trouvé et caractérisé ces bulles d'émission de rayons X de plus de 2 keV (ce que les spécialistes appellent des rayons X "durs", les "mous" ayant une énergie plus faible). La galaxie NGC 3079 se trouve à une distance proche de 67 millions d'années-lumière. Les deux bulles détectées, orientées sud-ouest/nord-est sur le ciel, ne sont pas parfaitement symétriques de part et d'autre du centre de NGC 3079 : la plus grosse (la bulle "Sud-Ouest") fait 4900 années-lumière de longueur pour un diamètre de 3600 années-lumière. Les bulles n'apparaissent en fait pas uniquement en rayons X mais aussi en ondes radio et même en lumière visible. Elles ont ainsi pu être observées également avec le télescope spatial Hubble et avec le radiotélescope terrestre Jansky VLA.

Ce que les astrophysiciens observent, c'est le rayonnement qui provient de la "surface" de ces gigantesques régions quasi-sphériques. Ces bulles sont en fait le résultat de la propagation d'une énorme onde de choc, du gaz accéléré qui se propage dans le milieu intergalactique. La zone de l'onde de choc est le siège d'accélérations de particules chargées par un jeu d'allers-retours multiples dans les champs électromagnétiques complexes au niveau de l'onde de choc. Ce sont ces électrons accélérés qui vont produire à la fois des rayons X et des ondes radio, d'après les chercheurs qui montrent que les spectres en énergie mesurés sont tout à fait compatibles avec un rayonnement Synchrotron émis par des électrons lorsqu'ils spiralent dans un champ magnétique. 
Li et ses collaborateurs calculent l'énergie maximale que doivent atteindre les électrons pour correspondre aux rayons X et ondes radio observés et trouvent des énergies de l'ordre de la centaine de TeV. Ce type de bulles peut donc être une très bonne source pour les rayons cosmiques galactiques les plus énergétiques que nous détectons parfois sur Terre. 
Curieusement, seulement une seule des deux bulles (la bulle Sud-Ouest) semble montrer un rayonnement de type Synchrotron (des rayons X de plus de 2 keV), les chercheurs n'ont pas d'explication à cette différence.
Une chose est sûre en revanche, c'est que l'accélération des particules responsables des émissions de rayons X, ne peut pas avoir eu lieu ailleurs que dans l'onde de choc, sur le bord de la bulle. Elles n'ont pas pu être accélérées à l'intérieur de la bulle où dans le centre de la galaxie car elles auraient perdu trop d'énergie avant d'arriver sur le bord de la bulle : la "durée de vie" moyenne des électrons à haute énergie qui perdent leur énergie en produisant du rayonnement synchrotron (X et radio) dans le champ magnétique environnant a été calculée par Li et ses collaborateurs est n'est que de l'ordre de quelques centaines d'années. Ils devaient donc posséder une énergie beaucoup plus faible avant de se retrouver au niveau de l'onde de choc. C'est au niveau de la surface de la bulle qu'ils sont très fortement accélérés et qu'ils rayonnent immédiatement. 


Il est remarquable que les superbulles de NGC 3079 apparaissent très semblables à ce qu'on a appelé les "Bulles de Fermi", deux énormes zones quasi sphériques s'étendant de chaque côté du plan de notre galaxie qui ont été identifiées par le télescope spatial Fermi en 2010 (en rayons gamma) (voir ici et ). Les spécialistes pensent que les superbulles pourraient être la conséquence de l'activité du trou noir supermassif situé au centre de la galaxie. Dans le cas des bulles de Fermi, d'après leur extension et la vitesse de l'onde de choc, on peut remonter à une activité importante de Sgr A* qui aurait eu lieu il y a près de 10 millions d'années. Quand on parle d'activité de trou noir, on parle avant tout d'accrétion importante de matière qui conduit à la production de jets de matière aux pôles. 

Dans NGC 3079, la vitesse d'expansion de l'onde de choc est estimée à partir de la vitesse moyenne des filaments qui sont visibles dans la raie H𝛼 (en UV), une valeur de 300 km.s−1.  L'âge dynamique de la plus grosse bulle serait ainsi de quelques millions d'années. D'après les chercheurs, l'hypothèse de l'activité du trou noir central ne peut néanmoins pas encore être absolument certaine. Il se pourrait aussi qu'une grosse bouffée de formation d'étoiles massives se soit produit vers le centre de la galaxie NGC 3079 et que les supernovas qui en auraient résulté aient "soufflé" suffisamment fort et en grande quantité pour produire l'onde de choc qui est observée aujourd'hui.

Pour en savoir plus sur les superbulles de NGC 3079, de nouvelles observations dans toutes les longueurs d'ondes seront nécessaires, associées à des mesures et des modélisations précises des champs magnétiques en présence. Tous les scénarios pourront alors être testés pour en comprendre l'origine.


Source

Detection of Nonthermal Hard X-Ray Emission from the "Fermi Bubble" in an External Galaxy
Jiang-Tao Li, Edmund Hodges-Kluck, Yelena Stein, Joel N. Bregman, Judith A. Irwin, and Ralf-Jürgen Dettmar
The Astrophysical Journal, Volume 873, Number 1 (28 february 2019)


Illustrations

1) La galaxie NGC 3079 imagée en rayons X par Chandra (NASA/CXC/University of Michigan/J-T Li et al.)

2) Visualisation des deux superbulles dans l'image en rayons X (NASA/CXC/University of Michigan/J-T Li et al.)

3) Image composite de NGC 3079 (visible (Hubble) + rayons X (Chandra))  (NASA/CXC/University of Michigan/J-T Li et al.)