Une équipe de recherche internationale d'astronomes a récemment annoncé avoir résolu avec succès le mystère de longue date d'un blazar lointain PKS 1424+240, expliquant pourquoi cet objet peut encore produire l'un des rayons gamma de haute énergie et des neutrinos cosmiques les plus brillants observés, même si le mouvement de son jet semble être lent. Les résultats pertinents ont été publiés dans Astronomy & Astrophysics Letters le 6 juin.
PKS 1424+240 se trouve à des milliards d’années-lumière de la Terre, mais est bien connu depuis longtemps dans la communauté astronomique. C'est à la fois une source importante de rayons gamma de très haute énergie et l'un des blazars de neutrinos les plus brillants actuellement connus dans le ciel. Cela correspond à l’un des pics de haute énergie les plus importants de la carte du ciel des neutrinos de l’Observatoire de neutrinos IceCube sur neuf ans. L'équipe de recherche a souligné que cette étude n'est pas seulement liée à un seul corps céleste, mais pointe également directement vers un problème central de l'astrophysique contemporaine des hautes énergies : comment des objets cosmiques extrêmes accélèrent les particules jusqu'à des énergies extrêmement élevées et produisent simultanément des photons et des neutrinos de très haute énergie.
Un blazar est un type de noyau galactique actif dont le centre est entraîné par un trou noir supermassif. Pendant que le trou noir avale la matière environnante, il éjecte des jets de plasma à une vitesse proche de celle de la lumière le long de son axe de rotation vers les pôles. Par rapport aux autres noyaux galactiques actifs, la particularité des blazars est que l'un des jets est presque face à la terre, ce qui le rend exceptionnellement brillant dans toute la bande électromagnétique. Il offre également aux scientifiques un « laboratoire » naturel pour étudier les processus physiques les plus extrêmes de l’univers. Certains scientifiques décrivent PKS 1424+240 comme étant comme « l'Œil de Sauron » dans l'espace lointain, en raison de la structure géométrique de son image et de ses jets dirigés vers la Terre.
Selon les attentes théoriques, les blazars à rayons gamma les plus brillants sont souvent accompagnés de structures à réaction qui semblent se déplacer très rapidement dans les observations radio. Cependant, les observations radio du PKS 1424+240 ont montré que ses jets semblaient inhabituellement lents, une contradiction qui est devenue partie intégrante d'un débat de longue date connu sous le nom de « crise du facteur Doppler ». Pour découvrir la vérité, l'équipe de recherche a récupéré et analysé 15 années de données d'observation du Very Long Baseline Array (VLBA), qui comprend un total de 10 antennes radio dans la zone continentale des États-Unis, à Hawaï et à Sainte-Croix.
Les scientifiques utilisent la technologie d'interférométrie à très longue base (VLBI) pour traiter conjointement les signaux provenant de radiotélescopes répartis sur une vaste zone, ce qui équivaut à utiliser un télescope virtuel de « calibre terrestre » pour obtenir une résolution angulaire extrêmement élevée. L’équipe a combiné un total de 42 images radio avec des informations de polarisation acquises entre 2009 et 2025 pour créer une vue plus profonde et plus détaillée de l’avion que jamais auparavant. Ces observations font partie du projet à long terme MOJAVE (Monitoring Active Galactic Nucleus Jets with VLBA), qui vise à étudier systématiquement la luminosité, la polarisation et la structure du champ magnétique des jets galactiques actifs pour comprendre comment l'activité à proximité des trous noirs supermassifs est liée au rayonnement de haute énergie et à la production de neutrinos.
"Lorsque nous avons reconstruit cette image, c'était tout simplement époustouflant", a déclaré le premier auteur Yuri Kovalev, qui dirige le projet Mu SES et qui travaille maintenant à l'Institut Max Planck de radioastronomie. "Nous n'avons jamais vu une telle scène : un jet presque face à nous, accompagné d'une structure de champ magnétique annulaire (en forme d'anneau) presque parfaite." Les résultats montrent que la Terre est presque directement sur l’axe de ce jet et que l’angle de sa ligne de visée est inférieur à 0,6 degrés. En d’autres termes, les humains regardent presque directement dans la direction du jet.
Cette structure géométrique est devenue la clé pour résoudre le mystère. Puisque le jet est pointé presque précisément vers la Terre, l’effet d’éclaircissement Doppler en relativité augmentera considérablement sa luminosité apparente dans notre direction. L'étude a révélé que cet effet peut amplifier le rayonnement d'environ 30 fois, tout en donnant l'impression que le jet se déplace plus lentement qu'il ne le fait réellement sur les images radio en raison de l'effet de projection, créant ainsi une « illusion d'optique » classique. Le co-auteur Jack Livingston, également de l'Institut Max Planck de radioastronomie, a souligné que cet alignement explique non seulement l'augmentation extrême de la luminosité, mais résout également naturellement le problème de longue date du "jet trop lent".
La perspective presque « frontale » offre également aux scientifiques une rare opportunité d’apercevoir les détails du champ magnétique dans le jet. À l’aide de signaux radio polarisés, l’équipe a détecté une composante de champ magnétique claire en forme d’anneau (en forme de beignet) dans le jet, ce qui indique qu’il y a un courant continu dans le jet et que son champ magnétique joue un rôle important dans l’émission, la collimation et la stabilité du jet. Les chercheurs pensent que cette structure magnétique délicate pourrait également être l’un des mécanismes clés qui accélèrent les particules suffisamment haut pour produire des rayons gamma et des neutrinos de haute énergie.
"La résolution de ce problème confirme en outre que les noyaux galactiques actifs contenant des trous noirs supermassifs ne sont pas seulement de puissants accélérateurs d'électrons de haute énergie, mais aussi des usines naturelles d'accélération des protons. C'est la source des neutrinos de haute énergie que nous observons." » a souligné Kovalev. Cette recherche fait partie du projet MuSES (Multi-Messenger High Energy Study) financé par le Conseil européen de la recherche, qui se concentre sur l'exploration de la manière dont les noyaux galactiques actifs accélèrent les particules et laissent leur empreinte dans divers signaux cosmiques tels que la lumière et les neutrinos. La communauté scientifique estime généralement que déterminer la relation précise entre le processus d’accélération des protons et la production de neutrinos reste aujourd’hui l’un des problèmes non résolus les plus importants en astrophysique.
Les derniers résultats expliquent non seulement pourquoi certains blazars peuvent encore émettre un rayonnement de haute énergie extrêmement brillant même si les jets semblent « lents », mais renforcent également le lien entre plusieurs éléments physiques clés à un niveau plus macro : jets relativistes, structures de champ magnétique, rayons gamma et neutrinos de haute énergie. L'équipe de recherche a déclaré que cette découverte révèle de nouveaux indices pour comprendre l'accélérateur de particules naturel le plus puissant de l'univers et fournit des informations importantes pour l'astronomie multi-messagers : en analysant conjointement plusieurs « messagers » tels que les photons et les neutrinos, les humains devraient restaurer de manière plus complète la véritable apparence des événements extrêmes dans l'univers.