Depuis plus d'un siècle, les astronomes observent le jet lumineux de matière s'échappant du cœur de la galaxie elliptique géante M87. Le télescope spatial James Webb vient d'offrir la vue infrarouge la plus nette jamais obtenue de ce phénomène.
Cette observation dévoile des détails inédits sur le jet propulsé par le trou noir central, y compris la détection de son jumeau insaisissable s'étendant dans la direction opposée. L'image capturée montre un ruban rose lumineux se déployant sur un fond violet nébuleux, avec des nœuds brillants marquant les zones où les particules atteignent des vitesses proches de celle de la lumière.
Le télescope James Webb révèle le jet de M87 (rose) s'étendant sur un fond violet, avec des nœuds, des torsions et même un contre-jet faible émanant du trou noir galactique.
Crédit: Jan Röder, Maciek Wielgus et al., Astronomy & Astrophysics (2025) Pour la première fois en lumière infrarouge, Webb a capturé le contre-jet situé à environ 6 000 années-lumière du trou noir. Cette structure apparaît extrêmement faible et difficile à détecter car elle s'éloigne de nous à une vitesse proche de celle de la lumière, ce qui rend son rayonnement plus discret. La galaxie M87, distante de 55 millions d'années-lumière et découverte par Charles Messier au XVIIIe siècle, abrite en son centre le trou noir supermassif M87*, rendu célèbre en 2019 par sa première "photographie" directe.
L'équipe de recherche dirigée par Jan Röder a utilisé l'instrument NIRCam du télescope Webb pour imager le jet dans quatre bandes infrarouges différentes. En soustrayant méticuleusement la lumière des étoiles, la poussière et les galaxies d'arrière-plan, les scientifiques ont obtenu le portrait infrarouge le plus détaillé jamais réalisé de l'écoulement de M87. Près du noyau galactique, le jet adopte une forme hélicoïdale avec des structures complexes révélant la dynamique des particules.
Les nouvelles données confirment que le jet brille grâce au rayonnement synchrotron, un type de lumière émis par des particules chargées spiralant dans des champs magnétiques. En analysant les subtiles variations de couleur à travers les différentes bandes infrarouges, l'équipe a pu retracer comment les particules s'accélèrent, se refroidissent et se tordent le long du jet. Ces observations offrent des informations précieuses sur les processus physiques extrêmes se déroulant près des trous noirs supermassifs.
Ces jets cosmiques constituent des laboratoires naturels pour étudier la physique des environnements les plus extrêmes de l'Univers. Propulsés par l'énergie des trous noirs supermassifs, ils peuvent accélérer des particules à des énergies bien supérieures à celles que nous pouvons produire sur Terre. Comprendre ces phénomènes aide les astronomes à percer les mystères de l'influence des trous noirs sur leurs galaxies hôtes et sur la distribution de la matière dans l'espace intergalactique.
Le rayonnement synchrotron
Le rayonnement synchrotron est un type particulier de lumière émis lorsque des particules chargées, comme des électrons, se déplacent à des vitesses relativistes dans un champ magnétique. Contrairement à la lumière thermique produite par la chaleur, ce rayonnement résulte de l'accélération des particules qui suivent des trajectoires courbes sous l'influence des forces magnétiques.
Ce phénomène se produit naturellement dans l'espace autour des objets astrophysiques extrêmes comme les trous noirs, mais il est également reproduit sur Terre dans des installations spécialisées appelées... synchrotrons. Ces grands instruments scientifiques permettent aux chercheurs d'étudier la structure de la matière à l'échelle atomique et moléculaire en utilisant ce rayonnement intense.
Dans le cas du jet de M87, le rayonnement synchrotron permet aux astronomes de cartographier la structure des champs magnétiques et de comprendre comment l'énergie est transférée du trou noir vers le jet. La couleur et l'intensité de cette lumière renseignent sur la vitesse des particules et la force des champs magnétiques présents.
L'étude de ce rayonnement dans différents domaines spectraux, de l'infrarouge aux rayons X, offre une vision complète des processus d'accélération des particules dans l'Univers, révélant des détails impossibles à observer avec d'autres méthodes.