Une nouvelle étude dirigée par l’Université Curtin et menée en collaboration avec plusieurs radiotélescopes à travers le monde montre que l’énergie transportée par les jets de trous noirs est extrêmement étonnante. Sa puissance peut être équivalente à 10 000 soleils. La théorie de longue date selon laquelle les trous noirs remodèlent la structure à grande échelle de l’univers a bénéficié d’un important soutien observationnel.
L'article a été publié dans "Nature Astronomy". L'équipe de recherche a ciblé le célèbre système d'étoiles binaires à rayons X "Cygnus X-1", qui contient le premier trou noir confirmé et une étoile supergéante massive. Les résultats des observations montrent que le jet produit par ce système peut rivaliser avec l'énergie d'environ 10 000 soleils en termes de production d'énergie instantanée.
Pour réaliser cette mesure, les scientifiques ont connecté des radiotélescopes répartis dans le monde entier pour construire un réseau d'observation doté d'une « ouverture à l'échelle de la Terre » afin de capturer les changements subtils du jet pendant la période orbitale à une résolution angulaire extrêmement élevée. La recherche souligne que lorsqu'un trou noir orbite autour d'une étoile compagnon, le puissant vent stellaire de la supergéante impacte continuellement le jet, provoquant une déviation de la direction du jet et une oscillation de sa trajectoire, de la même manière que des vents forts perturbent la colonne d'eau d'une fontaine.
En analysant simultanément la force du vent stellaire et la déviation du jet, l'équipe a pu déduire pour la première fois la puissance du jet sur une échelle « en temps réel », au lieu de se contenter de faire des estimations moyennes à long terme s'étalant sur des milliers d'années comme par le passé. Les résultats montrent qu'environ 10 % de l'énergie libérée lors de la chute de matière vers l'intérieur près du trou noir est projetée par le jet à grande vitesse et injectée dans le milieu environnant. Cette proportion est tout à fait cohérente avec les hypothèses couramment utilisées depuis longtemps dans les simulations numériques à grande échelle de l’univers, mais manquait auparavant de vérification observationnelle directe.
L'étude donne également un paramètre clé de la vitesse du jet : le matériau du jet est éjecté à environ la moitié de la vitesse de la lumière, soit environ 150 000 kilomètres (environ 93 000 miles) par seconde, une valeur difficile à déterminer avec précision depuis des décennies. Le Dr Steve Prabu, premier auteur de l'article et travaillant actuellement à l'Université d'Oxford, appelle de manière frappante ces jets qui sont constamment « poussés » par le vent stellaire « jets dansants » pour décrire la scène dynamique de leurs directions constamment changeantes pendant le mouvement orbital des étoiles binaires.
L'un des co-auteurs, le professeur James Miller-Jones de l'Institut de radioastronomie de l'Université de Curtin et de la branche Curtin du Centre international de recherche en radioastronomie, a souligné que les méthodes techniques précédentes donnaient principalement la puissance moyenne du jet sur une très longue ligne de base, ce qui était difficile à faire correspondre au rayonnement X produit immédiatement lorsque la matière tombait dans le trou noir. Dans cette étude, parce qu’ils peuvent suivre en continu le degré de courbure du jet par le vent stellaire pendant la période orbitale, les scientifiques ont pu comparer directement l’énergie du jet avec l’énergie des rayons X sur la même échelle de temps.
Le professeur Miller-Jones a souligné que la théorie considère généralement que les processus physiques à proximité du trou noir sont de nature très similaire, quelle que soit la masse du trou noir, des trous noirs stellaires aux trous noirs supermassifs. Par conséquent, cette mesure précise de la puissance du jet du « Cygnus X-1 » constitue une « ancre » importante pour comprendre les jets de trous noirs de différentes échelles et peut être utilisée pour calibrer divers modèles de jets de trous noirs avec des masses allant de 10 à 10 millions de fois celle du soleil.
Alors qu'une nouvelle génération de grandes installations scientifiques telles que le radiotélescope Square Kilometer Array en construction en Australie occidentale et en Afrique du Sud entre en service, les astronomes s'attendent à détecter les signaux des jets de trous noirs provenant de millions de galaxies lointaines. L'équipe de recherche a déclaré qu'avec cette mesure de référence de "Cygnus X-1", à l'avenir, en comptant et en interprétant la production d'énergie globale de ces énormes échantillons, ils seront en mesure d'évaluer plus précisément l'effet de rétroaction des trous noirs sur le gaz de la galaxie hôte, la formation d'étoiles et même la structure de l'univers à grande échelle.
Les recherches soulignent que les jets de trous noirs sont l’un des principaux mécanismes physiques qui modifient l’environnement et façonnent l’évolution des galaxies. Ils peuvent injecter de l'énergie et de la matière dans l'espace intergalactique, inhiber ou déclencher la formation d'une nouvelle génération d'étoiles, et ainsi jouer un rôle de « régulateur » dans l'histoire de l'univers. Cette mesure de puissance à l'aide de « jets dansants » ajoute une solide référence d'observation à cette image macroscopique et devrait permettre à l'humanité de mieux comprendre le rôle central des trous noirs et de leurs jets dans l'évolution de l'univers.