mardi 16 février 2021

Les Cheminées du Centre Galactique dans le détail


Une étude effectuée par une équipe internationale s'intéresse aux structures complexes qui surplombent tout juste le trou noir supermassif de notre galaxie, ce qui a été nommé des "Cheminées", découvertes il y a deux ans en rayons X et qui semblent reliées aux énormes structures qu'on appelle les Bulles de Fermi... Les Cheminées ont ici été observées dans de multiples longueurs d'ondes, avec des résultats publiés dans Astronomy&Astrophysics.

On le sait, le centre de la Voie Lactée dans les premières centaines de parsecs autour de Sgr A*, présente un environnement extrêmement complexe pour ce qui est de son milieu interstellaire. on y voit des filaments, des traces d'ondes de choc, des écoulements et des arcs de plasma. Mais ce qu'on appelle les "Bulles de Fermi" sont peut-être les structures les plus fascinantes qui paraissent associées au trou noir central, et plus exactement à une potentielle activité passée. Ces énormes structures (dont nous parlons depuis 2013) qui s'étalent de part et d'autre du plan galactique sur des milliers d'années-lumière ont été découvertes en rayons gamma en 2010 avec le télescope spatial Fermi qui leur à donné le nom de celui à qui il doit lui-même son nom, le physicien Enrico Fermi. Il s'agit de vastes étendues de gaz ionisé dont les bordures produisent encore aujourd'hui du rayonnement gamma par leurs interactions avec le milieu environnant. Mais ces énormes bulles ne prennent pas naissance au niveau du trou noir lui-même, mais un peu plus haut (et plus bas). 
Et c'est en mars 2019 qu'ont été découvertes d'autres structures de plasma se situant entre Sgr A* et la base des bulles de Fermi. Elles ont une forme en sablier très allongé et semblent faire le lien entre la région la plus centrale de la Voie Lactée et la base des bulles de Fermi. Gabriele Ponti (INAF) et ses collaborateurs américain, russe, sud-africain et britannique,  ont observé en détail ces curieuses cheminées, non plus simplement en rayons X cette fois-ci (avec XMM-Newton), mais aussi en infra-rouge avec WISE et en ondes radio avec MeerKAT. 
En comparant les données dans les différentes longueurs d'onde, les astrophysiciens parviennent à montrer que les cheminées sont formées d'un écoulement constitué de plusieurs phases, avec à la fois du plasma chaud, du gaz ionisé et du gaz moléculaire. Ils observent également que ces structures doivent être soutenues par des champs magnétiques verticaux très puissants.
L'observation clé de l'équipe de Ponti est que les émissions X, radio et infra-rouge sont profondément interconnectées entre elles, formant des structures cohérentes sur une échelle de plusieurs centaines de parsecs.

En regardant de près la répartition spatiale des cheminées nord et sud, les astrophysiciens concluent que la cheminée nord pointe très probablement vers nous avec un certain angle. Les observations en radio et en infra-rouge révèlent en outre la présence d'une multitude de chocs à l'interface des cheminées et du milieu interstellaire, qui sont autant d'indications des interactions de cet écoulement multiphasique avec le milieu ambiant. En particulier, on peut voir que l'écoulement de gaz moléculaire produit un choc étendu et structuré tout le long de la bordure ouest de la cheminée nord.
Il apparaît aux chercheurs très difficile de déterminer l'origine de cet écoulement vertical, du fait de la complexité des différentes structures qui sont visibles, associée aux effets de projection et à l'atténuation de la poussière présente en grande quantité dans cette région. Ils proposent tout de même 
différents scénarios, avec pour fil conducteur l'idée qu'une activité intermittente dans le centre galactique est à l'origine des nombreuses structures observées dans les cheminées. Pour Ponti et ses collaborateurs, si les Bulles de Fermi retracent une activité très ancienne du trou noir supermassif, les cheminées et les structures complexes qui les accompagnent, visibles dans le domaine radio et infra-rouge, tracent très probablement l'activité la plus récente de Sgr A* et de son entourage proche.
Il paraît clair pour les astrophysiciens que les cheminées ont été sculptées par des vents à grande échelle produits à différentes époques. Ils arrivent à cette conclusion par l'observation de différentes dynamiques au sein des différentes composantes des écoulements. Concernant les champs magnétiques, ils peuvent même dire qu'ils doivent être très verticaux à la base des cheminées puis diverger à plus haute latitude. Ponti et ses collaborateurs observent que la pression thermique associée au plasma chaud apparaît plus faible que la pression dynamique de l'écoulement du gaz moléculaire et que la pression magnétique. Cette donnée importante fait dire aux chercheurs que soit la source de l'écoulement est plus puissante que le plasma chaud ou soit les cheminées sont elles aussi une relique d'une activité passée plus énergétique.
En conclusion, les observations en multi-longueurs d'ondes indiquent que les cheminées surplombant Sgr A* représentent bien un canal qui connecte l'activité quasi continue, mais intermittente, du centre galactique avec la base des Bulles de Fermi. Selon Ponti et ses collègues, les bords des cheminées avec leurs traces de chocs proéminents sont notamment des signes évidents d'émission et d'écoulements récents en provenance de la zone ultra-centrale de notre galaxie.

Pour mieux comprendre ce que l'on voit au niveau des cheminées qui entourent notre trou noir supermassif, il sera crucial, pour Gabriele Ponti et ses collaborateurs, de recourir à de nouvelles observations à multi-longueurs d'ondes plus raffinées, comme par exemple des mesures de polarisation des ondes radio ou de la spectroscopie des rayons X.


Source

The Galactic center chimneys: the base of the multiphase outflow of the Milky Way
G. Ponti et al.
Astronomy&Astrophysics 646, A66 (09 February 2021)


Illustrations

1) Les cheminées observées en multi-longueur d'ondes (Ponti et al.)

2) Vue d'artiste des Bulles de Fermi et des Cheminées (Nature)

3) Structures des cheminées en ondes radio observées avec MeeKAT (Ponti et al.)

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