Une équipe d'astrophysiciens rapporte la mesure de la polarisation des rayons X de la brillante galaxie de Seyfert NGC 4151 pour en déduire la géométrie de sa source d'émission. Elle a été observée avec le télescope spatial Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), et complétée par des observations simultanées de XMM-Newton et NuSTAR. L'étude est publiée dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Le paradigme commun des noyaux actifs de galaxie postule la présence d'une couronne d'électrons chauds (kTe entre 10 et 100 keV), responsables de l'émission de rayons X durs par Comptonisation inverse des photons ultraviolets (UV), un processus dans lequel les électrons transfèrent une partie de leur énergie aux photons. Malgré l'acceptation généralisée de ce processus, la source d'énergie pour le plasma et les conditions qui mènent à sa formation restent des questions ouvertes. La géométrie de cette région est également en débat.
Différents modèles sont sur la table, d'un côté le modèle de couronne "en plaque" qui a été proposé initialement par Haardt & Maraschi en 1991, dans lequel la dissipation de l'énergie et le chauffage des électrons se produisent dans un grand volume, et de l'autre côté le modèle de couronne à "géométrie de lampadaire", où la source serait compacte et située sur l'axe du disque d'accrétion (un modèle proposé par Martocchia & Matt en 1996), et dont l'origine possible pourrait être un jet avorté. Or, on sait que la diffusion Compton doit produire un signal de polarisation qui est très sensible à la géométrie du matériau diffusant. Mesurer la polarisation des rayons X devrait donc permettre d'en savoir plus sur la géométrie de la couronne chaude.
Vittoria Gianolli (Université Grenoble-Alpes) et ses collaborateurs ont ainsi mesuré un degré de polarisation égal à 4,9 % ± 1,1 % et un angle de polarisation de 86° ± 7° vers l'est, dans le domaine d'énergie de 2 à 8 keV. L'analyse spectropolarimétrique montre que la polarisation pourrait être entièrement
due à la réflexion. mais compte tenu du faible flux de réflexion dans la bande IXPE, cela nécessiterait une réflexion avec un degré de polarisation très important (>38%). Le degré de polarisation observé exclut de fait une géométrie de type "lampadaire" sphérique pour la couronne, suggérant plutôt
une géométrie en forme de dalle. Cette conclusion est confirmée par l'angle de polarisation des rayons X
qui coïncide avec la direction de l'émission radio étendue dans cette source, supposée correspondre à l'axe du disque.
NGC 4151 est le premier noyau actif de galaxie avec une mesure de polarisation des rayons X pour la couronne, illustrant les capacités de la polarimétrie X et de IXPE pour dévoiler sa géométrie. Il faut savoir que NGC 4151 n'est pas n'importe quelle galaxie, c'est l'une des galaxies de Seyfert les plus brillantes de l'Univers local. Elle a été classée comme un AGN à aspect changeant, passant de type optique 1,5 et des états de flux élevés au type optique 1,8 dans les états de faible flux. NGC 4151 a été observée intensivement par tous les principaux télescopes à rayons X. Elle est aussi caractérisée par une importante variabilité spectrale et une structure d'absorption complexe, à la fois du gaz neutre et du gaz ionisé. En dessous de ∼2 keV, l'émission en rayons X mous est dominée par des raies d'émission, provenant vraisemblablement du gaz photoionisé dans la région des raies étroites, comme c'est souvent le cas dans les AGNs obscurcis. Les études précédentes avaient trouvé des preuves de la réflexion relativiste sur le disque d'accrétion, suggérant un trou noir en rotation quasi-maximale. Pour un trou noir de 45,7 millions de masses solaires (masse estimée d'après la réverbération optique et UV, la luminosité du disque d'accrétion aurait un rapport d'Eddington relativement faible de seulement 1%.
Grâce au haut degré de polarisation mesuré sur le noyau de NGC 4151dans le signal aux énergies les plus élevées, où c'est l'émission de la couronne chaude qui domine, on peut désormais exclure la géométrie de type lampadaire pour cette couronne chaude dans ce type de noyau actif de type Seyfert. Une telle géométrie serait très symétrique ce qui induirait un degré de polarisation inférieur à 3%, même pour des inclinaisons très élevées, ce qui n'est pas observé. De plus, une géométrie symétrique de type lampadaire produirait un angle de polarisation qui serait perpendiculaire à l'axe du disque, alors que celui mesuré est dans la direction de l'émission radio (∼83°), suggérant plutôt que la polarisation se produit dans le plan équatorial.
Alors, en plus de la géométrie à plaques (une plaque s'étendant au-dessus et au-dessous du disque d'accrétion), il y aurait tout de même une autre solution géométrique qui serait aussi possible, selon les chercheurs : une géométrie de type "coin", dans laquelle le disque d'accrétion est tronqué et la couronne de rayons X agirait comme un flux d'accrétion chaud qui s'étendrait jusqu'à l'orbite circulaire stable la plus intérieure (ISCO) avec un angle d'ouverture défini.
On le voit, on a ainsi pu éliminer une solution pour la géométrie de la couronne chaude des galaxies de Seyfert, mais il en reste encore deux à départager. De quoi donner un peu de travail pour les futurs observateurs et observatrices.
Source
Uncovering the geometry of the hot X-ray corona in the Seyfert galaxy NGC 4151 with IXPE
V. E. Gianolli et al.
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 523 (7 june 2023)
Illustration
NGC 4151 imagée par le télescope spatial Hubble (ESA/NASA)
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