Les chercheurs ont utilisé deux décennies de données provenant de radiotélescopes du monde entier pour confirmer la rotation de la galaxie M87 en observant l’oscillation de son jet de trou noir supermassif. Cette découverte marque une avancée majeure dans la recherche sur les trous noirs. Le trou noir supermassif au centre de la galaxie M87, célèbre pour la première photo de l'ombre d'un trou noir, a créé une autre première : il a été démontré que le jet émis par le trou noir oscillait, prouvant directement que le trou noir tourne.

Diagramme schématique du modèle de disque d'accrétion incliné. Dans ce diagramme, l’axe de rotation du trou noir est supposé être droit vers le haut et vers le bas. La direction du jet est presque perpendiculaire au plan du disque. Le désalignement entre l’axe de rotation du trou noir et l’axe de rotation du disque déclenche une inclinaison vers l’avant du disque et des jets. Source : Cui Yuzhu et al. (2023), IntouchableLab@Openverse et Laboratoire Zhijiang

Les trous noirs supermassifs sont des monstres des milliards de fois plus lourds que le soleil qui dévorent tout ce qui les entoure, y compris la lumière, et sont difficiles à étudier car aucune information ne peut s'échapper de l'intérieur. En théorie, il existe très peu de propriétés mesurables. Une propriété qui peut être observée est le spin, mais en raison des difficultés impliquées, aucune observation directe du spin du trou noir n'a été réalisée.

Vingt ans d'observations révèlent des preuves

Pour rechercher des preuves de la rotation des trous noirs, une équipe internationale a analysé plus de deux décennies d'observations de la galaxie M87. Cette galaxie est située à 55 millions d’années-lumière en direction de la Vierge. Il contient un trou noir d’une masse 6,5 milliards de fois supérieure à celle du soleil. La première image d’ombre de trou noir capturée par le Event Horizon Telescope (EHT) en 2019 est également ce trou noir. Comme nous le savons tous, le trou noir supermassif de M87 possède un disque d’accrétion et un jet. Le premier envoie de la matière dans le trou noir et le second éjecte la matière du voisinage du trou noir à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.

(Ci-dessus) Structure du jet M87 à une fréquence de 43 GHz en moyenne tous les deux ans entre 2013 et 2018. L'année correspondante est marquée dans le coin supérieur gauche. Les flèches blanches indiquent l'angle de position du jet dans chaque sous-figure. (En bas) Evolution observée de la direction du jet de 2000 à 2022. Les points verts et bleus proviennent de données d'observation à 22 et 43 GHz respectivement. La ligne rouge est la courbe sinusoïdale la mieux ajustée avec une période de 11 ans. Source : YuzhuCui et al. (2023)

L'équipe de recherche a analysé 170 périodes de données collectées par le réseau VLBI d'Asie de l'Est (EAVN), le réseau de lignes de base très longues (VLBA), le réseau combiné KVN et VERA (KaVA) et le réseau VLBI de l'Asie de l'Est vers l'Italie proche du monde (EATING). Plus de 20 radiotélescopes à travers le monde ont contribué à la recherche.

Résultats de la recherche et signification

Les résultats montrent que les interactions gravitationnelles entre le disque d'accrétion et la rotation du trou noir font osciller la base du jet, ou s'incliner vers l'avant, de la même manière que les interactions gravitationnelles au sein du système solaire font basculer la Terre vers l'avant. L’équipe a réussi à relier la dynamique du jet au trou noir supermassif central, fournissant ainsi la preuve directe que le trou noir tourne effectivement. Le changement de direction du jet est d'environ 10 degrés et la période de poussée vers l'avant est de 11 ans, ce qui est cohérent avec la simulation théorique du superordinateur menée par l'Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ) ATERUIII.

"Nous sommes enthousiasmés par cette découverte majeure", a déclaré Cui Yuzhu, le premier auteur de l'article. Cui Yuzhu était étudiant diplômé à l'Observatoire astronomique national du Japon et a ensuite travaillé comme chercheur postdoctoral au laboratoire du Zhejiang. Étant donné que le désalignement entre le trou noir et le disque stellaire est relativement faible et que la période proactive est d'environ 11 ans, l'accumulation de données à haute résolution suivant la structure de M87 pendant plus de deux décennies et la réalisation d'une analyse approfondie sont les clés pour atteindre ce résultat. "

Le Dr Kazuhiro Hada de l'Observatoire astronomique national du Japon a expliqué : « Après avoir réussi à imager le trou noir de cette galaxie à l'aide de l'EHT, la question de savoir si ce trou noir est en rotation a été au centre des préoccupations des scientifiques. Maintenant, l'attente est devenue certaine. Ce trou noir monstre est effectivement en rotation.

Le Dr Motoki Kino de l'Université de Kogakuin, coordinateur du groupe de travail scientifique sur les noyaux galactiques actifs du réseau VLBI d'Asie de l'Est, a déclaré : « Il s'agit d'une étape scientifique passionnante, finalement révélée au cours d'années d'observations conjointes par une équipe internationale de chercheurs de 45 institutions à travers le monde. Nos données d'observation sont en bon accord avec les sinusoïdes simples, apportant de nouveaux progrès dans notre compréhension des trous noirs et des systèmes de jets. »