Communiqué de presse

Première image directe d'un trou noir expulsant un jet puissant

26 avril 2023

Pour la première fois, des astronomes ont observé, sur une même image, l'ombre du trou noir au centre de la galaxie Messier 87 (M87) et le puissant jet qui en est expulsé. Les observations ont été réalisées en 2018 avec des télescopes du Global Millimetre VLBI Array (GMVA), de l'Atacama Large Millimeter/subimeter Array (ALMA), dont l'ESO est partenaire, et du Greenland Telescope (GLT). Grâce à cette nouvelle image, les astronomes peuvent mieux comprendre comment les trous noirs peuvent propulser de tels jets énergétiques.

La plupart des galaxies abritent en leur centre un trou noir supermassif. Si les trous noirs sont connus pour engloutir la matière dans leur voisinage immédiat, ils peuvent également propulser de puissants jets de matière qui s'étendent au-delà des galaxies dans lesquelles ils vivent. Comprendre comment les trous noirs créent ces énormes jets est un problème de longue date en astronomie. "Nous savons que des jets sont éjectés de la région entourant les trous noirs", explique Ru-Sen Lu, de l'Observatoire Astronomique de Shanghai, en Chine, "mais nous ne comprenons pas encore tout à fait comment cela se produit. Pour l'étudier directement, nous devons observer l'origine du jet au plus près du trou noir."

La nouvelle image publiée aujourd'hui montre précisément cela pour la première fois : comment la base d'un jet se connecte avec la matière tourbillonnant autour d'un trou noir supermassif. La cible est la galaxie M87, située à 55 millions d'années-lumière dans notre voisinage cosmique, et abritant un trou noir 6,5 milliards de fois plus massif que le Soleil. Les observations précédentes avaient permis d'obtenir des images séparées de la région proche du trou noir et du jet, mais c'est la première fois que ces deux caractéristiques sont observées ensemble. "Cette nouvelle image complète le tableau en montrant la région autour du trou noir et le jet en même temps", ajoute Jae-Young Kim de l'université nationale Kyungpook en Corée du Sud et de l'Institut Max Planck de radioastronomie en Allemagne.

L'image a été obtenue avec le GMVA, ALMA et le GLT, formant un réseau de radiotélescopes autour du globe travaillant ensemble comme un télescope virtuel de la taille de la Terre. Un réseau d'une telle ampleur permet de discerner de très petits détails dans la région entourant le trou noir de M87.

La nouvelle image montre le jet émergeant près du trou noir, ainsi que ce que les scientifiques appellent l'ombre du trou noir. La matière en orbite autour du trou noir s'échauffe et émet de la lumière. Le trou noir se courbe et capture une partie de cette lumière, créant une structure en forme d'anneau autour du trou noir vu de la Terre. L'obscurité au centre de l'anneau est l'ombre du trou noir, qui a été photographiée pour la première fois par le télescope Event Horizon (EHT) en 2017. Cette nouvelle image et celle de l'EHT combinent toutes deux des données prises par plusieurs radiotélescopes dans le monde, mais l'image publiée aujourd'hui montre de la lumière radio émise à une longueur d'onde plus grande que celle de l'EHT : 3,5 mm au lieu de 1,3 mm. "À cette longueur d'onde, nous pouvons voir comment le jet émerge de l'anneau d'émission autour du trou noir supermassif central", explique Thomas Krichbaum de l'Institut Max Planck de radioastronomie.

La taille de l'anneau observé par le réseau GMVA est environ 50 % plus grande que celle de l'image de l'Event Horizon Telescope. "Pour comprendre l'origine physique de cet anneau plus grand et plus épais, nous avons dû utiliser des simulations informatiques pour tester différents scénarios", explique Keiichi Asada de l'Academia Sinica à Taïwan. Les résultats suggèrent que la nouvelle image révèle une plus grande partie de la matière qui tombe vers le trou noir que ce qui a pu être observé avec l'EHT.

Ces nouvelles observations du trou noir de M87 ont été menées en 2018 avec le GMVA, qui comprend 14 radiotélescopes en Europe et en Amérique du Nord [1]. En outre, deux autres installations ont été reliées au GMVA : le Greenland Telescope et ALMA, dont l'ESO est partenaire. ALMA est composé de 66 antennes situées dans le désert chilien d'Atacama et a joué un rôle clé dans ces observations. Les données collectées par tous ces télescopes dans le monde sont combinées à l'aide d'une technique appelée interférométrie, qui synchronise les signaux pris par chaque installation individuelle. Mais pour saisir correctement la forme réelle d'un objet astronomique, il est important que les télescopes soient répartis sur l'ensemble de la Terre. Les télescopes GMVA étant principalement alignés d'est en ouest, l'ajout d'ALMA dans l'hémisphère sud s'est avéré essentiel pour capturer cette image du jet et de l'ombre du trou noir de M87. "Grâce à l'emplacement et à la sensibilité d'ALMA, nous avons pu révéler l'ombre du trou noir et voir plus en profondeur l'émission du jet en même temps", explique Ru-Sen Lu.

Les futures observations réalisées à l'aide de ce réseau de télescopes permettront de mieux comprendre comment les trous noirs supermassifs peuvent lancer de puissants jets. "Nous prévoyons d'observer la région autour du trou noir au centre de M87 à différentes longueurs d'onde radio afin d'étudier plus en détail l'émission du jet", explique Eduardo Ros de l'Institut Max Planck de radioastronomie. Ces observations simultanées permettraient à l'équipe de démêler les processus complexes qui se déroulent à proximité du trou noir supermassif. "Les années à venir seront passionnantes, car nous pourrons en apprendre davantage sur ce qui se passe près de l'une des régions les plus mystérieuses de l'Univers", conclut Eduardo Ros.

Notes

[1] Le réseau VLBI coréen fait désormais partie du GMVA, mais n'a pas participé aux observations rapportées ici.

Plus d'informations

Cette recherche a été présentée dans l'article "A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet" à paraître dans Nature (doi : 10.1038/s41586-023-05843-w).

L'équipe est composée de Ru-Sen Lu (Shanghai Astronomical Observatory, People’s Republic of China [Shanghai]; Key Laboratory of Radio Astronomy, People’s Republic of China [KLoRA]; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Germany [MPIfR]), Keiichi Asada (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, Taiwan, ROC [IoAaA]), Thomas P. Krichbaum (MPIfR), Jongho Park (IoAaA;  Korea Astronomy and Space Science Institute, Republic of Korea [KAaSSI]), Fumie Tazaki (Simulation Technology Development Department, Tokyo Electron Technology Solutions Ltd., Japan; Mizusawa VLBI Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Japan [Mizusawa]), Hung-Yi Pu (Department of Physics, National Taiwan Normal University, Taiwan, ROC; IoAaA; Center of Astronomy and Gravitation, National Taiwan Normal University, Taiwan, ROC), Masanori Nakamura (National Institute of Technology, Hachinohe College, Japan; IoAaA), Andrei Lobanov (MPIfR), Kazuhiro Hada (Mizusawa; Department of Astronomical Science, The Graduate University for Advanced Studies, Japan), Kazunori Akiyama (Black Hole Initiative at Harvard University, USA; Massachusetts Institute of Technology Haystack Observatory, USA [Haystack]; National Astronomical Observatory of Japan, Japan [NAOoJ]), Jae-Young Kim (Department of Astronomy and Atmospheric Sciences, Kyungpook National University, Republic of Korea; KAaSSI; MPIfR), Ivan Marti-Vidal (Departament d’Astronomia i Astrofísica, Universitat de València, Spain; Observatori Astronòmic, Universitat de València, Spain), Jose L. Gomez (Instituto de Astrofísica de Andalucía-CSIC, Spain [IAA]), Tomohisa Kawashima (Institute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo, Japan), Feng Yuan (Shanghai; Key Laboratory for Research in Galaxies and Cosmology, Chinese Academy of Sciences, People’s Republic of China; School of Astronomy and Space Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, People’s Republic of China [SoAaSS]), Eduardo Ros (MPIfR), Walter Alef (MPIfR), Silke Britzen (MPIfR), Michael Bremer (Institut de Radioastronomie Millimétrique, France [IRAMF]), Avery E. Broderick (Department of Physics and Astronomy, University of Waterloo, Canada [Waterloo]; Waterloo Centre for Astrophysics, University of Waterloo, Canada; Perimeter Institute for Theoretical Physics, Canada), Akihiro Doi (The Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency, Japan; Department of Space and Astronautical Science, SOKENDAI, Japan [SOKENDAI]), Gabriele Giovannini (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Bologna, Italy; Istituto di Radio Astronomia, INAF, Bologna, Italy [INAF]), Marcello Giroletti (INAF), Paul T. P. Ho (IoAaA), Mareki Honma (Mizusawa; Hachinohe; Department of Astronomy, The University of Tokyo, Japan), David H. Hughes (Instituto Nacional de Astrofísica, Mexico), Makoto Inoue (IoAaA), Wu Jiang (Shanghai), Motoki Kino (NAOoJ; Kogakuin University of Technology and Engineering, Japan), Shoko Koyama (Niigata University, Japan; IoAaA), Michael Lindqvist (Department of Space, Earth and Environment, Chalmers University of Technology, Sweden [Chalmers]), Jun Liu (MPIfR), Alan P. Marscher (Institute for Astrophysical Research, Boston University, USA), Satoki Matsushita (IoAaA), Hiroshi Nagai (NAOoJ; SOKENDAI), Helge Rottmann (MPIfR), Tuomas Savolainen (Department of Electronics and Nanoengineering, Aalto University, Finland; Metsähovi Radio Observatory, Finland [Metsähovi]; MPIfR), Karl-Friedrich Schuster (IRAMF), Zhi-Qiang Shen (Shanghai; KLoRA), Pablo de Vicente (Observatorio de Yebes, Spain [Yebes]), R. Craig Walker (National Radio Astronomy Observatory, Socorro, USA), Hai Yang (Shanghai; SoAaSS), J. Anton Zensus (MPIfR), Juan Carlos Algaba (Department of Physics, Universiti Malaya, Malaysia), Alexander Allardi (University of Vermont, USA), Uwe Bach (MPIfR), Ryan Berthold (East Asian Observatory, USA [EAO]), Dan Bintley (EAO), Do-Young Byun (KAaSSI; University of Science and Technology, Daejeon, Republic of Korea), Carolina Casadio (Institute of Astrophysics, Heraklion, Greece; Department of Physics, University of Crete, Greece), Shu-Hao Chang (IoAaA), Chih-Cheng Chang (National Chung-Shan Institute of Science and Technology, Taiwan, ROC [Chung-Shan]), Song-Chu Chang (Chung-Shan), Chung-Chen Chen (IoAaA), Ming-Tang Chen (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, USA [IAAAS]), Ryan Chilson (IAAAS), Tim C. Chuter (EAO), John Conway (Chalmers), Geoffrey B. Crew (Haystack), Jessica T. Dempsey (EAO; Astron, The Netherlands [Astron]), Sven Dornbusch (MPIfR), Aaron Faber (Western University, Canada), Per Friberg (EAO), Javier González García (Yebes), Miguel Gómez Garrido (Yebes), Chih-Chiang Han (IoAaA), Kuo-Chang Han (System Development Center, National Chung-Shan Institute of Science and Technology, Taiwan, ROC), Yutaka Hasegawa (Osaka Metropolitan University, Japan [Osaka]), Ruben Herrero-Illana (European Southern Observatory, Chile), Yau-De Huang (IoAaA), Chih-Wei L. Huang (IoAaA), Violette Impellizzeri (Leiden Observatory, the Netherlands; National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, USA [NRAOC]), Homin Jiang (IoAaA), Hao Jinchi (Electronic Systems Research Division, National Chung-Shan Institute of Science and Technology, Taiwan, ROC), Taehyun Jung (KAaSSI), Juha Kallunki (Metsähovi), Petri Kirves (Metsähovi), Kimihiro Kimura (Japan Aerospace Exploration Agency, Japan), Jun Yi Koay (IoAaA), Patrick M. Koch (IoAaA), Carsten Kramer (IRAMF), Alex Kraus (MPIfR), Derek Kubo (IAAAS), Cheng-Yu Kuo (National Sun Yat-Sen University, Taiwan, ROC), Chao-Te Li (IoAaA), Lupin Chun-Che Lin (Department of Physics, National Cheng Kung University, Taiwan, ROC ), Ching-Tang Liu (IoAaA), Kuan-Yu Liu (IoAaA), Wen-Ping Lo (Department of Physics, National Taiwan University, Taiwan, ROC; IoAaA), Li-Ming Lu (Chung-Shan), Nicholas MacDonald (MPIfR), Pierre Martin-Cocher (IoAaA), Hugo Messias (Joint ALMA Observatory, Chile; Osaka), Zheng Meyer-Zhao (Astron; IoAaA), Anthony Minter (Green Bank Observatory, USA), Dhanya G. Nair (Astronomy Department, Universidad de Concepción, Chile), Hiroaki Nishioka (IoAaA), Timothy J. Norton (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, USA [CfA]), George Nystrom (IAAAS), Hideo Ogawa (Osaka), Peter Oshiro (IAAAS), Nimesh A. Patel (CfA), Ue-Li Pen (IoAaA), Yurii Pidopryhora (MPIfR; Argelander-Institut für Astronomie, Universität Bonn, Germany), Nicolas Pradel (IoAaA), Philippe A. Raffin (IAAAS), Ramprasad Rao (CfA), Ignacio Ruiz (Institut de Radioastronomie Millimétrique, Granada, Spain [IRAMS]), Salvador Sanchez (IRAMS), Paul Shaw (IoAaA), William Snow (IAAAS), T. K. Sridharan (NRAOC; CfA), Ranjani Srinivasan (CfA; IoAaA), Belén Tercero (Yebes), Pablo Torne (IRAMS), Thalia Traianou (IAA; MPIfR), Jan Wagner (MPIfR), Craig Walther (EAO), Ta-Shun Wei (IoAaA), Jun Yang (Chalmers), Chen-Yu Yu (IoAaA).

Cette recherche a utilisé les données obtenues avec le Global Millimeter VLBI Array (GMVA), qui se compose de télescopes exploités par le Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), l'Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), l'Observatoire Spatial d'Onsala (OSO), le Metsähovi Radio Observatory (MRO), Yebes, le Korean VLBI Network (KVN), le Green Bank Telescope (GBT) et le Very Long Baseline Array (VLBA).

L’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), une installation astronomique internationale, est le fruit d’un partenariat entre l'ESO, l’U.S. National Science Foundation (NSF) et le National Institutes of Natural Sciences (NINS) du Japon en coopération avec la République du Chili. ALMA est financé par l'Observatoire Européen Austral (ESO) pour le compte de ses Etats membres, la NSF en coopération avec le National Research Council du Canada (NRC), le National Science Council of Tawain (NSC) et le NINS en coopération avec l’Academia Sinica (AS) à Taiwan et le Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). La construction et la gestion d'ALMA sont supervisées par l'ESO pour le compte de ses Etats membres, par le National Radio Astronomy Observatory (NRAO) dirigé par Associated Universities, Inc (AUI) en Amérique du Nord, et par le National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) pour l'Asie de l'Est. L’Observatoire commun ALMA (JAO pour Joint ALMA Observatory) apporte un leadership et un management unifiés pour la construction, la mise en service et l’exploitation d’ALMA.

La modernisation, la reconstruction et l'exploitation du Greenland Telescope (GLT) sont dirigées par l'Academia Sinica, Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA) et le Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO).

L'Observatoire Européen Austral (ESO) permet aux scientifiques du monde entier de découvrir les secrets de l'Univers pour le bénéfice de tous. Nous concevons, construisons et exploitons des observatoires au sol de classe mondiale - que les astronomes utilisent pour s'attaquer à des questions passionnantes et transmettre la fascination de l'astronomie - et nous encourageons la collaboration internationale en astronomie. Créé en 1962 en tant qu'organisation intergouvernementale, l'ESO est aujourd'hui soutenu par 16 États membres (Allemagne, Autriche, Belgique, Danemark, Espagne, France, Finlande, Irlande, Italie, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Royaume-Uni, Suède et Suisse), ainsi que par l'État hôte du Chili et l'Australie en tant que partenaire stratégique. Le siège de l'ESO ainsi que son centre d'accueil et son planétarium, l'ESO Supernova, sont situés près de Munich en Allemagne, tandis que le désert chilien d'Atacama, un endroit magnifique offrant des conditions uniques pour observer le ciel, accueille nos télescopes. L'ESO exploite trois sites d'observation : La Silla, Paranal et Chajnantor. À Paranal, l'ESO exploite le Very Large Telescope et son Very Large Telescope Interferometer, ainsi que des télescopes de sondage tel que VISTA. Toujours à Paranal, l'ESO accueillera et exploitera le Cherenkov Telescope Array South, l'observatoire de rayons gamma le plus grand et le plus sensible au monde. Avec ses partenaires internationaux, l'ESO exploite APEX et ALMA à Chajnantor, deux installations qui observent le ciel dans le domaine millimétrique et submillimétrique. Au Cerro Armazones, près de Paranal, nous construisons "le plus grand œil au monde tourné vers le ciel" - l'Extremely Large Telescope de l'ESO. Depuis nos bureaux de Santiago du Chili, nous soutenons nos opérations dans le pays et nous nous engageons auprès des partenaires et de la société chiliens.

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