Résumé :
Caché au centre de la Voie lactée se trouve un trou noir supermassif d'une masse d'environ 4 millions de fois celle du soleil : Sagittaire A*. Bien qu'il se trouve à environ 26 000 années-lumière de la Terre et que son activité globale actuelle soit relativement calme, il pourrait avoir une manière surprenante de libérer de l'énergie : en sacrifiant sa propre énergie de rotation, il accélère les particules environnantes jusqu'à des énergies extrêmement élevées et fournit de l'énergie à certains rayons cosmiques de la Voie Lactée.
Le 17 octobre 2026, SciTechDaily a rendu compte d'une dernière étude théorique sur ce mécanisme. Les chercheurs proposent que Sagittarius A* puisse transférer l'énergie de rotation du trou noir aux protons via un mécanisme appelé « processus magnétique de Penrose », permettant à ces particules d'atteindre des niveaux d'énergie de plusieurs pétaélectronvolts (PeV). Les résultats de la recherche soutiennent en outre l’hypothèse selon laquelle Sagittarius A* pourrait être un accélérateur naturel de particules à ultra haute énergie dans la Voie Lactée.
L'étude a été publiée sous forme de prépublication le 2 septembre 2026, intitulée "Sagittaire A* en tant qu'accélérateur galactique de particules électron-voltaïque : caractéristiques multi-messagers du processus magnétique de Penrose". Grâce à une modélisation théorique, l'équipe de recherche a analysé comment les particules proches du trou noir acquièrent une énergie extrêmement élevée et quels signaux ce processus peut laisser derrière eux et qui peuvent être identifiés par des observations astronomiques. À l’heure actuelle, il s’agit encore d’une explication théorique qui doit être testée par l’observation, et cela ne signifie pas que les scientifiques ont confirmé que le trou noir au centre de la Voie lactée accélère ainsi les rayons cosmiques.
Les rayons cosmiques sont des particules de haute énergie qui voyagent dans l'espace à des vitesses extrêmement élevées, notamment des protons, des noyaux atomiques et un petit nombre d'électrons. Leur gamme d'énergie est extrêmement large et certains rayons cosmiques transportent des énergies bien au-delà de ce que les humains peuvent obtenir avec les accélérateurs de particules existants. Les scientifiques tentent depuis longtemps de comprendre d’où viennent ces particules et quel mécanisme la nature utilise pour les accélérer jusqu’à des énergies aussi étonnantes.
Sur Terre, les humains utilisent de grands accélérateurs de particules pour augmenter progressivement l'énergie des particules chargées grâce à des champs électriques. Mais dans l’univers, les restes de supernova, les vents de pulsars et les environnements extrêmes autour des trous noirs pourraient tous devenir des accélérateurs naturels de particules. Le centre de la Voie lactée est particulièrement préoccupant car il contient des trous noirs supermassifs, de grandes quantités de gaz, de puissants champs magnétiques et un environnement complexe de rayonnement de haute énergie.
Les chercheurs estiment que les protons proches de Sagittarius A* pourraient être accélérés jusqu'à des énergies de plusieurs pétaélectrons-volts. Un pétaélectron-volt équivaut à 1 000 billions d’électrons-volts, ou 10¹⁵ électrons-volts. Ce niveau d'énergie dépasse de loin l'énergie d'un seul proton atteinte par les collisions de protons dans le Grand collisionneur de hadrons. Par conséquent, si le mécanisme pertinent existe effectivement, Sagittaire A* pourrait devenir l’une des sources importantes de particules à haute énergie dans la Voie Lactée.
Ce type de corps céleste qui peut accélérer des protons jusqu'au niveau d'énergie de l'électron-volt est appelé "PeVatron", qui est un accélérateur de particules du niveau de l'électron-volt. Les astronomes ont observé des rayons gamma de haute énergie au centre de la Voie lactée, mais la question de savoir si ces rayonnements proviennent de l'accélération de particules près du trou noir ou de l'interaction d'autres corps célestes avec des rayons cosmiques à plus grande échelle reste controversée.
Normalement, le rayonnement brillant autour d'un trou noir provient principalement de la matière tombée dans le trou noir avant sa chute. Le gaz se rassemble, se comprime et se réchauffe sous l'attraction gravitationnelle du trou noir, formant un flux d'accrétion à haute température ou un disque d'accrétion, et le matériau libère une grande quantité d'énergie avant de finalement traverser l'horizon des événements.
Mais les trous noirs eux-mêmes n’avalent pas seulement de l’énergie. Pour les trous noirs en rotation, l’énergie véhiculée par leur rotation peut également être extraite sous certaines conditions. C’est sur ce mécanisme qui utilise directement l’énergie de rotation des trous noirs que les chercheurs se concentrent cette fois-ci.
Cette théorie remonte au processus de Penrose proposé par le physicien Roger Penrose en 1969. Selon la relativité générale, il existe une région appelée « ergosphère » autour d'un trou noir en rotation. Ici, la rotation du trou noir entraîne si fortement l'espace-temps environnant que les objets ne peuvent pas rester immobiles par rapport à un observateur distant, mais doivent se déplacer dans le sens de la rotation du trou noir.
Dans certaines conditions, si les particules pénètrent dans la couche d'énergie et subissent des processus de division appropriés, certaines d'entre elles peuvent tomber dans le trou noir en transportant une énergie négative définie par rapport à l'infini, tandis que l'autre partie peut s'échapper avec plus d'énergie que les particules d'origine. L’énergie supplémentaire gagnée par les particules qui s’échappent provient de l’énergie de rotation du trou noir lui-même.
Considérez-le comme l'extraction d'énergie mécanique d'une machine à rotation rapide : les particules qui s'échappent gagnent de l'énergie supplémentaire, tandis que l'énergie de rotation du trou noir est réduite en conséquence. La « consommation de sa propre énergie » mentionnée ici ne signifie pas que le trou noir brûle comme du carburant, mais que son énergie de rotation est transférée aux particules externes.
Les chercheurs ont également étudié le rôle des champs magnétiques dans ce processus. Le processus magnétique Penrose utilise le champ magnétique autour du trou noir pour modifier le mouvement et la répartition de l'énergie des particules chargées, afin que l'énergie de rotation du trou noir puisse être transférée plus efficacement aux particules chargées telles que les protons.
Dans le modèle proposé dans cette étude, le lien clé commence par les réactions nucléaires dans les gaz chauds entourant le trou noir. Certaines réactions nucléaires peuvent produire des neutrons. Une fois que ces neutrons pénètrent dans la couche énergétique d’un trou noir, ils peuvent subir une désintégration radioactive, produisant des protons, des électrons et des antineutrinos.
Les neutrons eux-mêmes ne sont pas chargés et ne sont donc pas directement affectés par la force de Lorentz d'un champ magnétique comme les protons. Mais les protons produits après la désintégration des neutrons ont une charge électrique et peuvent interagir avec le champ magnétique environnant. Les chercheurs pensent que dans de bonnes conditions, ces protons pourraient gagner de l'énergie grâce à la rotation du trou noir et ensuite s'échapper dans un espace interstellaire plus large.
Ce mécanisme ne nécessite pas que le trou noir soit extrêmement actif. L’activité d’accrétion actuelle de Sagittarius A* est relativement faible, mais il possède toujours une masse énorme et une énergie de rotation potentiellement considérable. Tant que l'environnement environnant présente un champ magnétique, des conditions de génération de particules et une géométrie appropriées, le processus d'extraction d'énergie est possible.
Cependant, la possibilité d'appliquer le modèle au centre réel de la Voie lactée dépend encore d'un certain nombre de paramètres qui n'ont pas encore été entièrement déterminés, notamment la force du champ magnétique autour du trou noir, le taux de production de particules, l'état de rotation du trou noir et les diverses pertes subies par les particules de haute énergie lors de leur fuite.
Si des protons de haute énergie s'échappent du voisinage d'un trou noir, ils peuvent entrer en collision avec le gaz dense au centre de la Voie lactée alors qu'ils se propagent vers l'extérieur, produisant des rayons gamma et des neutrinos de haute énergie. Ces particules secondaires constituent pour les scientifiques un moyen important de tester les théories.
Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques de très haute énergie qui ne sont pas chargés. Ainsi, lorsqu'ils traversent l'espace interstellaire, ils ne sont pas radicalement redirigés par les champs magnétiques comme les particules chargées dans les rayons cosmiques. Leur direction de propagation aide souvent les astronomes à retracer le rayonnement jusqu'à sa source. En revanche, les protons des rayons cosmiques sont affectés par les champs magnétiques interstellaires et leurs trajectoires peuvent être considérablement courbées, ce qui rend difficile la détermination de l’endroit où ils ont initialement accéléré directement à partir de la direction dans laquelle ils arrivent sur Terre.
L'équipe de recherche a calculé le spectre d'énergie des rayons gamma qui pourrait être produit par le processus magnétique de Penrose et a comparé les résultats du modèle avec les observations existantes. Les chercheurs pensent que le rayonnement produit par ce mécanisme peut contribuer à certains signaux dans les observations de rayons gamma à haute énergie, y compris ceux détectés par le système de télescope stéréoscopique à haute énergie H.E.S.S. et l'Observatoire de rayons gamma Cherenkov en eau à haute altitude HAWC.
Si les caractéristiques du spectre énergétique prédites par différents modèles théoriques peuvent être mesurées avec plus de précision, les chercheurs auront l'occasion de déterminer si le mécanisme d'extraction d'énergie de rotation des trous noirs est réellement à l'œuvre au centre de la Voie lactée.
Les futurs équipements d'observation pourraient être essentiels pour tester cette théorie. L'équipe de recherche a souligné que le projet d'observatoire de rayons gamma à grand champ de l'hémisphère sud (SWGO) devrait détecter les signaux pertinents prédits par son modèle, et que l'observatoire du réseau de télescopes Tcherenkov (CTAO) pourrait également tester certains scénarios théoriques.
SWGO prévoit d'utiliser un réseau de détection à grande échelle pour surveiller en continu les rayons gamma à haute énergie, ce qui est particulièrement adapté à l'observation de zones célestes importantes telles que le centre de la Voie lactée. Les instruments à grand champ peuvent surveiller les changements du rayonnement de haute énergie dans le ciel pendant des périodes plus longues que les télescopes qui ne peuvent être pointés vers une cible spécifique que pendant une durée limitée, aidant ainsi les chercheurs à étudier les processus d'accélération des particules en cours.
Cependant, la découverte de rayons gamma de haute énergie ne suffit pas à elle seule à prouver l'existence du processus magnétique de Penrose. L’environnement au centre de la Voie lactée est extrêmement complexe, avec non seulement des trous noirs supermassifs, mais aussi un grand nombre d’étoiles, des nuages de gaz denses, d’autres sources potentielles d’accélération de particules de haute énergie et une large gamme de rayonnement diffus. Différents mécanismes peuvent produire des signaux observés similaires.
Les scientifiques doivent donc combiner les rayons gamma avec d'autres types d'observations, notamment les signaux des neutrinos. Lorsque des protons de haute énergie entrent en collision avec du gaz, en plus de produire des rayons gamma, ils peuvent également produire des neutrinos. Les neutrinos interagissent extrêmement faiblement avec la matière et peuvent s'échapper des environnements célestes denses, fournissant ainsi aux chercheurs un autre indice sur les processus d'accélération des particules.
Mais actuellement, les observations de neutrinos au centre de la Voie lactée n'ont pas donné de résultats suffisants pour déterminer le mécanisme pertinent. En septembre 2026, une analyse publiée par l'Observatoire des neutrinos IceCube en collaboration avec HAWC n'a trouvé aucun signal significatif de neutrinos au centre de la Voie lactée et a fixé de nouvelles limites sur l'intensité du rayonnement associé. Les chercheurs ont souligné qu'à l'avenir, des installations d'observation des neutrinos plus sensibles telles que IceCube-Gen2, KM3NeT et P-ONE pourraient aider les scientifiques à déterminer si les rayons gamma à haute énergie au centre de la Voie lactée proviennent principalement de l'interaction entre les protons et le gaz.
Ce contexte montre également que, même si le mécanisme d'extraction d'énergie des trous noirs repose sur une base théorique claire, des données plus riches et plus précises sont encore nécessaires pour le relier aux observations réelles. Les chercheurs doivent exclure d’autres sources possibles de rayonnement de haute énergie et vérifier si les caractéristiques spectrales prédites par la théorie existent réellement.
L'importance de cette étude est qu'elle fournit une explication de la source de rayons cosmiques de haute énergie au centre de la Voie lactée qui peut être testée plus en détail. Traditionnellement, les scientifiques se concentrent généralement sur la manière dont les explosions de supernova, les ondes de choc et les champs magnétiques accélèrent les rayons cosmiques ; tandis que le processus magnétique de Penrose tourne son attention vers l'énergie de rotation du trou noir lui-même, indiquant que même si le trou noir est dans un état relativement calme, il peut transmettre de l'énergie aux particules externes via des mécanismes physiques spéciaux.
Si de futures observations confirment que ce processus se produit effectivement, Sagittaire A* ne sera pas seulement une source gravitationnelle massive au centre de la Voie Lactée, mais pourrait également être une source d'énergie importante qui affecte l'environnement des particules à haute énergie de la Voie Lactée. Cela aidera également les scientifiques à mieux comprendre comment les trous noirs supermassifs affectent le gaz environnant, l'environnement radiatif et l'évolution de l'ensemble de la région centrale de la galaxie par la libération d'énergie.
À l'heure actuelle, ce que les chercheurs proposent est encore un modèle théorique, et non un processus d'extraction d'énergie d'un trou noir qui a été directement confirmé. Les futurs résultats d’observation du SWGO, du CTAO et des équipements d’observation des neutrinos de nouvelle génération aideront à déterminer si ces prédictions sont cohérentes avec les performances de l’univers réel. Pour les humains, le trou noir au centre de la Voie lactée cache encore de nombreux mystères, et les rayons cosmiques peuvent contenir des indices importants sur le fonctionnement de son énergie.
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