Tout comme les messages des Amérindiens transmis par des bulles de fumée visibles de loin, les « cheminées de gaz chaud » s'échappent de part et d'autre de l'environnement du trou noir massif situé au centre de notre galaxie, jusqu'à des distances d'environ 500 années-lumière. Ces bulles de gaz chaud, qui nous renseignent sur l'activité passée intense du trou noir et des régions centrales galactiques, viennent d'être découvertes par une équipe internationale dont des chercheurs du CEA et du CNRS.
Un monstre endormi
Les régions situées au centre de la Voie lactée représentent un véritable laboratoire pour l’astrophysique des hautes énergies. Elles ont déjà fait l’objet de nombreuses études, notamment en rayons X, qui permettent de détecter les phénomènes les plus énergétiques de la région dont le gaz très chaud dans les environs immédiats du trou noir supermassif Sagittarius A*, situé au centre de notre galaxie. Ce trou noir central, de plus de 4 millions de fois la masse du Soleil, est actuellement largement inactif. Jusqu'ici, il est responsable seulement d'un fort rayonnement d'ondes radio et d'une très faible émission de rayons X ainsi que de quelques sursauts de faible luminosité observés en rayons X et aux fréquences infrarouges.
Pourtant, l'observation récente par le satellite gamma de hautes énergies Fermi de larges structures vers le centre galactique, baptisées « bulles de Fermi1 », laisse soupçonner une possible activité violente dans le passé.
En haut : image du plan galactique en lumière visible. Au centre de l'image, le centre de la Galaxie abritant le trou noir massif est totalement obscurci par les poussières.
En bas : image de la Galaxie observée en rayons gamma de très hautes énergies par le satellite Fermi. Du centre de la Galaxie de part et d'autre du plan galactique, deux grandes zones d'émission baptisées "bulles de Fermi" (soulignées par les ellipses) ont été découvertes en 2010.
© Fermi/Nasa
Des cheminées de gaz chaud
De 2016 à 2018, une équipe de chercheurs a mobilisé le satellite européen XMM-Newton pour établir une carte à grande échelle de l'émission en rayons X de la région du centre de la galaxie. Cette équipe, qui inclue des astrophysiciens du département d'astrophysique du CEA-Irfu, du CNRS, du laboratoire Astroparticule et cosmologie de Paris (APC, CNRS/Université Paris Diderot/CEA/Observatoire de Paris) et de l’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble (IPAG, CNRS/Université Grenoble Alpes) avec le soutien du Centre national d'études spatiales (CNES), a réalisé près de cinquante nouvelles observations pour une durée totale de plus de 300 heures d’exposition. Ces dernières se sont jointes aux observations déjà acquises par le satellite, en orbite depuis près de vingt ans, et ont permis d'aboutir à une image spectaculaire.
La carte de l'émission en rayons X couvre une région de 1800 par 1500 années-lumière à la distance du centre galactique. Elle a révélé l'existence de véritables "cheminées" de gaz, deux structures en forme de cylindres, qui semblent remplies d'un gaz très chaud à des températures de plusieurs millions de degrés, et s'échappant de part et d'autre du centre de la galaxie. Ces cheminées culminent jusqu'à une hauteur d'environ 500 années-lumière, perpendiculaire et au-dessus du plan galactique, exactement dans l'axe des bulles de Fermi.
Image en rayons X de basse énergie de la région autour du centre galactique, obtenue avec les données XMM-Newton entre 2016 et 2018, ainsi que des données d’archive [le code couleur indique l’énergie des rayons X détectés : rouge (1.5-2.6 keV), vert (2.35-2.56 keV) et bleu (2.7-2.97 keV)]. Les sources ponctuelles ont été masquées et apparaissent comme des cercles blancs. La région totale couvre une dimension de 1 800 par 1 600 années-lumière) autour du trou noir massif Sgr A* au centre (marqué par un losange). Le plan de notre Galaxie est indiqué au milieu par la ligne horizontale (en pointillés blancs) ainsi que la base des grandes « bulles de Fermi ». Les deux ellipses blanches de part et d'autre (ellipses en pointillés) montrent les nouvelles structures en forme de cheminées mises en évidence par cette étude. © (Ponti et al., 2019, Nature)
Pour Andrea Goldwurm, chercheur CEA et du laboratoire Astroparticule et Cosmologie de Paris, co-auteur de cette étude :
« L’hypothèse la plus convaincante est que les cheminées de gaz chaud que nous avons découvertes pourraient être le canal qui transporte l'énergie de la région active du centre de la Galaxie vers l'extérieur, alimentant ainsi les bulles de Fermi, comme le suggère leur morphologie. »
Néanmoins, le lien immédiat avec le trou noir super-massif n'est pas totalement éclairci, comme le rappelle Maïca Clavel, chercheure CNRS à l’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble, co-auteure de cette publication :
« Bien que ce lien semble suggéré en raison de l'intermittence probable de l'injection d'énergie provenant des régions centrales, la carte de l'émission radio du trou noir n'appuie pas directement l'idée que les cheminées sont une continuation des lobes radio internes. »
En dehors du trou noir massif, le centre de la galaxie est en effet très riche en étoiles. Il ne peut être exclu que l'explosion en chaine d'étoiles (supernovae) ou qu'un vent de particules issu d'étoiles très massives, soit également une source d'énergie importante alimentant le gaz chaud des cheminées.
Le lien établi entre les cheminées de gaz découvertes par XMM et les grandes bulles de Fermi est un indice important démontrant que l'activité du centre de notre galaxie été très intense dans le passé, il y a seulement quelques millions d'années. Le trou noir central est plus que jamais sous surveillance.
[1] « Bulles de Fermi » : Découvertes en 2010, les « bulles de Fermi » sont deux larges volumes d'émission en rayons gamma de très hautes énergies (GeV), s’étendant sur environ 25 milliers d’années-lumière, de part et d’autre du plan galactique. Si témoignent d’une activité exceptionnelle au cœur de notre galaxie, leur origine reste un mystère. Leur association directe avec le trou noir central n'a pu encore être démontrée de façon certaine.