Quand un trou noir explose : un événement cosmique jamais vu en 10 ans

M87 nous a envoyé un signal explosif… littéralement !

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© Image générée par l’IA DALL-E pour Presse-citron 𝕏

En 2018, alors que les télescopes du monde entier scrutaient la galaxie M87, distante de 55 millions d’années-lumière, ils ont capté un événement d’une rare intensité. Le trou noir supermassif M87* a émis une gigantesque éruption gamma, un flash extrêmement lumineux et énergétique de rayons gamma, la forme de rayonnement électromagnétique la plus puissante.

Ces événements cosmiques sont généralement de courte durée, mais libèrent une énergie colossale en quelques secondes qui équivaut à celle que notre Soleil émettrait en plusieurs milliards d’années.

Au cœur de la bête

Imaginons le trou noir supermassif comme un immense tourbillon cosmique. Autour de lui gravite un disque de matière, semblable à un gigantesque anneau de gaz et de poussières. Cette matière, en chutant vers le trou noir, s’échauffe considérablement sous l’effet des forces de friction – comparable au phénomène qui réchauffe nos mains lorsque nous les frottons, mais à une échelle des milliards de fois supérieure. Cette chaleur intense fait briller le disque d’accrétion, créant l’anneau lumineux caractéristique observé dans la première image historique de M87* (voir ci-dessous).

Des années d’observations et de calculs ont été nécessaires pour produire cette image révolutionnaire. Elle nous montre le disque d’accrétion de M87* tel qu’il apparaissait le 10 avril 2019, un anneau lumineux de matière surchauffée en orbite autour du trou noir. © Event Horizon Telescope / Wikipédia

Les champs magnétiques intenses, générés par la rotation du disque d’accrétion et le trou noir lui-même, jouent un rôle prépondérant dans la formation des jets relativistes, des geysers cosmiques extrêmement puissants. Ces champs magnétiques, structurés en lignes de force, canalisent une partie de la matière surchauffée du disque, l’accélérant à des vitesses proches de celle de la lumière le long des lignes de champ qui s’étendent perpendiculairement au disque, formant ainsi deux jets collimatés de plasma.

L’anatomie d’une éruption titanesque

L’éruption gamma observée en 2018 représente un événement d’une violence inouïe. Pour comprendre son ampleur, imaginons un volume spatial équivalent à 170 fois la distance Terre-Soleil – une région étonnamment compacte à l’échelle cosmique, à peine dix fois plus grande que le trou noir lui-même. C’est dans cet espace relativement restreint que s’est produit cette explosion d’une puissance phénoménale.

Le mécanisme à l’origine de cette éruption peut être comparé à une collision cosmique : des « grumeaux » de matière, tombant dans le jet de plasma, sont violemment accélérés. Cette accélération est si intense qu’elle génère une immense quantité de rayons gamma. L’énergie libérée par une telle éruption est des milliards, voire des billions de fois supérieure à celle d’une bombe nucléaire moderne.

« Fait intrigant, les variations intenses détectées en rayons gamma ne se manifestent pas dans d’autres longueurs d’onde, ce qui laisse penser que la zone de l’éruption est structurée de manière complexe et se comporte différemment selon le type d’observation » note Daniel Mazin, de l’Université de Tokyo. En d’autres termes, la zone d’éruption se comporte comme un véritable caméléon, changeant d’apparence selon le type de lumière utilisé pour l’observer.

Un laboratoire cosmique de physique fondamentale

L’observation simultanée de l’éruption gamma et des modifications de l’anneau lumineux autour du trou noir offre une occasion unique d’étudier les lois de la physique dans des conditions extrêmes. Sera Markoff, de l’Université d’Amsterdam, explique : « Pour la toute première fois, il est possible de combiner des images directes des zones proches de l’horizon des événements avec des éruptions de rayons gamma issues de l’accélération des particules, permettant ainsi de tester les théories sur l’origine de ces éruptions »

En observant directement les interactions entre la matière et la gravité, les scientifiques peuvent par conséquent vérifier si les prédictions d’Einstein sont toujours valables. Ces événements cataclysmiques, rares et encore en partie mystérieux, pourront aussi être mieux compris grâce à la combinaison d’images directes et d’observations en rayons gamma. Les jets relativistes précédemment cités sont des accélérateurs de particules naturels extraordinaires. En étudiant ces phénomènes, les scientifiques pourraient découvrir de nouveaux mécanismes d’accélération, avec des applications potentielles en physique des particules.

Les observations de l’explosion de M87* approfondissent grandement notre compréhension des phénomènes de haute énergie aux abords des trous noirs supermassifs. L’analyse des données collectées lors de cette éruption gamma exceptionnelle met en évidence la richesse des processus physiques opérant dans ces régions de l’espace-temps où les lois de la physique atteignent leurs limites théoriques. Celles-ci vont sans aucun doute alimenter de nouveaux modèles théoriques pour décrire le comportement de la matière et de l’énergie dans ces environnements extrêmes et peut-être nous aider à répondre avec plus d’exactitude à ce questionnement fondamental : d’où venons-nous et d’où vient notre Univers ?

• En 2018, une éruption gamma d’une intensité exceptionnelle a été observée près du trou noir M87*, libérant une énergie colossale dans un espace compact.
• Cette explosion, causée par l’accélération de particules dans des jets de plasma, est une occasion unique pour étudier les interactions entre matière et gravité.
• Les découvertes autour de M87* permettent de mettre à l’épreuve les lois fondamentales de la physique dans des conditions extrêmes.

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