En avril 2019, heure de l’Est, l’équipe collaborative du télescope Event Horizon (EHT) a publié pour la première fois la première image d’un trou noir de l’histoire de l’humanité, présentant clairement un corps céleste qui n’a jamais été directement observé auparavant. Aujourd'hui, une équipe multinationale d'astronomes a obtenu « la vue aux rayons X la plus détaillée à ce jour » du jet de plasma du même trou noir supermassif M87*, en utilisant l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA.

Selon le dernier article publié sur la plateforme de prépublication arXiv, les chercheurs ont détaillé comment ils ont utilisé les données d'observation à long terme du télescope Chandra pour suivre l'évolution de cet énorme jet cosmique sur une échelle de plus de dix ans, soulignant la capacité unique de l'observatoire à étudier les changements dans les grandes structures cosmiques au fil du temps. M87* est situé dans l'amas de galaxies de la Vierge, à environ 55 millions d'années-lumière de la Terre. La matière environnante est capturée par la forte gravité du trou noir et forme un disque d’accrétion chaud. Sous l'influence de la rotation et du champ magnétique du trou noir, il génère des jets de haute énergie qui s'étendent sur des milliers d'années-lumière.

Le modèle standard de l’astronomie soutient que lorsqu’un trou noir supermassif dévore les gaz et la poussière environnants, le disque de matière forme un disque d’accrétion rotatif à haute température autour du trou noir. La puissante gravité et la rotation à grande vitesse du trou noir déforment conjointement le champ magnétique environnant, l’enroulant en faisceaux aux deux pôles. Ces champs magnétiques enroulés semblent devenir des « accélérateurs de particules », émettant constamment des jets de particules de haute énergie en dehors de la galaxie. Les données de la NASA montrent que le jet de M87* mesure plus de 3 000 années-lumière, se précipitant dans les profondeurs de l'univers à une vitesse relativiste proche de la vitesse de la lumière et libérant des rayonnements couvrant une variété de bandes d'ondes allant de la radio aux rayons X.

Cette recherche a été dirigée par Camille Poitras, doctorante à l'École des sciences et de l'ingénierie de l'Université Laval au Canada. L’équipe a utilisé une technologie avancée de traitement d’images à rayons X pour synthétiser et reconstruire plusieurs données d’observation de jets M87* acquises par Chandra entre 2012 et 2025. Traditionnellement, l’imagerie à rayons X a été combinée avec des observations radio, optiques et infrarouges pour étudier les différentes structures des jets de trous noirs. Les radiotélescopes sont efficaces pour détecter des structures plus grandes et plus étendues dans les jets, tandis que les rayons X sont plus sensibles aux parties les plus chaudes et les plus énergétiques des jets. Cependant, en raison des limitations de résolution, les images radiographiques ont longtemps été difficiles à « diviser » clairement les structures détaillées complexes du jet.

Dans les derniers travaux, l'équipe Chandra a effectué un processus dit de « déconvolution » sur les images, qui a considérablement amélioré la résolution de l'image, permettant à la précision des détails présentée dans la vue aux rayons X de se rapprocher de celle des images des télescopes optiques et infrarouges, tout en conservant la sensibilité des rayons X aux structures à haute énergie. Cela signifie que les images Chandra traitées peuvent prendre en compte à la fois la résolution structurelle et les informations de haute énergie dans le même champ de vision, fournissant ainsi un outil plus puissant pour étudier le mécanisme d'accélération des particules à l'intérieur du jet. En superposant et analysant des observations sur plus de dix ans, l’équipe de recherche a pu décrire méticuleusement l’évolution du jet M87* sur une chronologie, révélant la trajectoire de sa structure interne à l’échelle de dix ans.

"Nous avons déjà pu voir des jets changer, mais jamais avec ce niveau de détail dans les longueurs d'onde des rayons X", a déclaré Poitras. Elle souligne que grâce aux techniques de déconvolution, les structures qui étaient autrefois mélangées dans les images à rayons X peuvent désormais être résolues, permettant aux scientifiques de suivre plus clairement le mouvement relatif et les changements des différents composants du jet sur plus d'une décennie. De telles observations à long terme et à petite échelle fournissent des indices clés pour comprendre comment les jets de trous noirs transportent l’énergie depuis l’horizon des événements jusqu’à l’échelle de la galaxie.

M87* a été choisi comme cible pour la première imagerie de trou noir de l'EHT en 2019, en partie parce qu'il s'agit d'un trou noir supermassif « actif » avec un disque d'accrétion brillant et d'importants jets relativistes. En revanche, l’environnement actuel du trou noir Sagittarius A* au centre de notre galaxie est relativement « stérile » et manque de suffisamment de gaz et de poussières, il est donc globalement dans un état relativement « calme ». Le haut niveau d'activité de M87* en fait non seulement un objet d'observation idéal pour le télescope Event Horizon, mais fournit également à l'équipe Chandra un excellent échantillon pour étudier l'évolution dynamique du jet.

L'analyse montre que la dernière vue aux rayons X du jet de M87* semble être plus « dynamique » qu'on ne l'avait cru auparavant. Au sein de cet énorme jet d’énergie, certaines structures semblent presque stationnaires, tandis que d’autres présentent l’équivalent visuel de se déplacer à cinq fois la vitesse de la lumière. Les chercheurs ont souligné que cela ne signifie pas que la matière dépasse réellement la vitesse de la lumière, mais que cela découle d'un artefact d'observation appelé « mouvement supraluminal ». Lorsque le matériau dans le jet se déplace à une vitesse proche de la vitesse de la lumière dans une direction proche de la Terre, les observateurs verront la projection du jet sur le fond du ciel sembler se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière en raison du trajet de la lumière et des effets de retard.

Cet effet visuel supraluminique offre aux astronomes une fenêtre unique sur l’interaction des particules de haute énergie dans les jets avec les champs magnétiques sur des échelles de temps relativement courtes. Gerrit Schellenberger, astrophysicien au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics et co-auteur de l'article, a déclaré que ces travaux démontrent le pouvoir continu de Chandra dans le suivi des phénomènes cosmiques extrêmes sur de longues échelles de temps et aident à approfondir notre compréhension de la façon dont l'énergie libérée à proximité des trous noirs supermassifs est transportée le long de jets et finalement déposée dans l'environnement de la galaxie dans laquelle elle réside. Ce type de recherche n’est pas seulement lié au processus physique du trou noir lui-même, mais aussi étroitement lié à la formation et à l’évolution des galaxies.

L’équipe de recherche a noté que les images retraitées et très détaillées de Chandra aideront à explorer comment les particules à l’intérieur du jet sont accélérées jusqu’à des niveaux d’énergie extrêmes. Sous certains angles d'observation, ces particules de haute énergie et leurs performances de rayonnement semblent même « détruire les lois de la physique », remettant constamment en question notre compréhension actuelle des processus physiques dans des conditions extrêmes. Les résultats pertinents ont été rendus publics sur la plateforme de préimpression arXiv, et l'Observatoire des rayons X Chandra a également publié simultanément une note aux médias pour que la communauté de la recherche scientifique et le public en apprennent davantage sur ces travaux.