L'Event Horizon Telescope dévoile le champ magnétique du trou noir 3C 84

La collaboration Event Horizon Telescope (EHT)  a utilisé son réseau de radiotélescopes de la taille de la Terre pour sonder la structure magnétique du noyau de la galaxie NGC 1275 qui est aussi la source radio 3C 84 (ou Perseus A), et qui contient l’un des trous noirs supermassifs actifs les plus proches de notre voisinage. Ces nouveaux résultats fournissent un nouvel aperçu de la manière dont les jets des trous noirs supermassifs sont lancés, révélant que les champs magnétiques dominent la gravité. L'étude est parue dans Astronomy&Astrophysics.

Georgios Filippos Paraschos (Max Planck Institut fur Radioastronomie) et ses très nombreux collaborateurs du consortium Event Horizon Telescope (EHT) ont reconstruit l'image radio de la source 3C 84 ou Perseus A, située à une distance de 230 millions d'années-lumière. C'est cette distance relativement proche qui permet une étude détaillée de la source centrale de la galaxie à haute résolution avec l'EHT. Car en plus de fournir les premières images de trous noirs, l'EHT, qui est basé sur la technique d’interférométrie à très longue base (ou VLBI), dans laquelle plusieurs télescopes observent le même objet dans le ciel puis combinent les signaux collectés pour produire une image, est aussi adéquat pour observer les jets de plasma des trous noirs et leur interaction avec de puissants champs magnétiques. 

Les données de 3C 84 utilisées ici dans cette étude ont été enregistrées lors de la campagne fabuleuse de 2017 de l'EHT, celle-là même qui a donné la première image de M87*. Pour 3C 84, c'était à 228 GHz (1,3 mm de longueur d'onde), le 7 avril 2017 entre 18h30 et 19h40 UTC, avec six balayages d'une durée d'environ 5 minutes chacun. 5 télescopes sur les 8 du réseau, répartis sur trois sites géographiques ont participé à cette observation : Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) et le télescope Atacama Pathfinder Experiment (APEX) au Chili ; le SubMillimeter Telescope (SMT) en Arizona ; et le télescope James Clerk Maxwell (JCMT) et le SubMillimeter Array (SMA) à Hawaï. Suite à la corrélation des données, les données ont été traitées avec les algorithmes développés par les chercheurs du consortium.

Paraschos et ses collaborateurs trouvent des preuves d'un champ magnétique puissant et hautement ordonné dans la région compacte de 3C 84. Cette région apparaît être mieux ajustée par trois composantes gaussiennes circulaires, qui ont étaient étiquetées "core" (C), "est" (E) et "ouest" (W), des zones qui ne pouvaient pas être résolues avec les observation précédentes à plus grande longueur d'onde. 

En faisant la moyenne des mesures de polarisation fractionnaire linéaire de ces trois composants, les astrophysiciens ont déterminé que la polarisation fractionnaire linéaire nette dans la région compacte était de 17,0 ± 3,9 %. La polarisation linéaire fractionnaire élevée dans la région la plus interne de 3C 84 révélée à 228 GHz, indique clairement que les chercheurs sondent une région qui était auparavant insaisissable, car ils sont capables d'obtenir une résolution plus élevée tout en étant moins affectés par les effets d'opacité. Il s'agit de la région la plus interne de 3C 84, qui s'étend à environ 500  rayons de Schwarzschild du trou noir, et qui semble être une région optiquement mince avec un champ magnétique ordonné encadrant le noyau. À l'aide d'observations quasi simultanées de 3C 84 à 15, 43, 86 et 228 GHz, les chercheurs calculent la valeur du champ magnétique auto-absorbé synchrotron de 2,9 ± 1,6 G, et un champ magnétique d'équipartition de 5,2 ± 0,6 G. Mais ils précisent que ces valeurs pourraient être influencées par la variabilité de la source.

De plus, cette région est si compacte qu'une association entre le jet large de 3C 84 et le disque d'accrétion peut être exclue. Mais ils soulignent qu'un jet entraîné par le trou noir et un vent entraîné par un disque d'accrétion pourraient coexister, et que les observations actuelles de l'EHT constituent une meilleure sonde du premier. Dans un scénario de jet propulsé par un trou noir, le lancement d'un jet dans 3C 84, selon les chercheurs, pourrait être attribué à un disque arrêté magnétiquement (MAD), par opposition à une structure de disque mince et large. Les jets des systèmes MAD sont probablement induits par le mécanisme de Blandford – Znajek  (démontré théoriquement en 1977) , un processus où une puissante colonne vertébrale de jet est alimentée directement par l'énergie extraite de l'ergosphère du trou noir en rotation. Et ici, la rotation du trou noir serait élevée. 

Les futures observations de 3C 84 de l'EHT avec des antennes supplémentaires sur des lignes de base courtes et intermédiaires contribueront à contraindre la morphologie du jet et à améliorer la précision du modèle. La capacité exceptionnelle de l'EHT à pénétrer le gaz interstellaire dense marque en tous cas une avancée fondamentale pour l'observation précise de la proximité des trous noirs. L'EHT est un excellent instrument pour sonder les noyaux actifs de galaxies proches. Associé à des réseaux interférométriques à très longue base à basse fréquence, tels que le GMVA et le VLBA, l'EHT permet de mener des études multifréquences, qui fournissent des informations précieuses sur la formation et le lancement des jets de trous noirs.

Les chercheurs de la grande collaboration internationale annoncent en conclusion que de nouvelles observations de EHT et GMVA ont d'ores et déjà été réalisées, avec 3C 84 comme cible principale. La sensibilité accrue et la meilleure couverture spatio-temporelle permettront de mener des études de suivi avec une plus grande précision. Les images d'intensité totale de la région compacte permettront notamment de mieux comprendre si les composantes qui ont été identifiées ici correspondent ou non à la structure large qui avait été observée avec RadioAstron en 2018. Les cartes d'indices spectraux des images EHT et GMVA observées quasi simultanément pourraient également aider à localiser exactement l'emplacement du trou noir, et faire la distinction entre les scénarios de lancement de jets...

Source

Ordered magnetic fields around the 3C 84 central black hole

Georgios Filippos Paraschos et al.

Astronomy&Aastrophysics Volume 682 (1 February 2024)

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202348308

Illustrations

1. Comparasion des images radio  de 3C 84 par différents instruments (Georgios Filippos Paraschos (MPIfR))

2. Les 8 observatoires constituant l'EHT en 2017 (APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin)