Grâce au télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA, une équipe d'astrophysiciens dirigée par l'Université Northwestern a obtenu l'aperçu le plus long et le plus détaillé à ce jour du vide qui se cache au milieu de notre galaxie. Les chercheurs ont découvert que le disque tourbillonnant de gaz et de poussière (ou disque d'accrétion) en orbite autour du trou noir supermassif central, appelé Sagittarius A*, émet un flux constant d'éruptions sans période de repos. Alors que certaines éruptions sont de faibles scintillements, qui ne durent que quelques secondes, d'autres sont des éruptions d'une luminosité aveuglante, qui se produisent quotidiennement.
Il existe également des scintillements encore plus faibles qui surviennent pendant des mois. Le niveau d'activité se produit sur une large plage de temps, depuis de courts interludes jusqu'à de longues périodes. Ces nouvelles découvertes pourraient aider les physiciens à mieux comprendre la nature fondamentale des trous noirs, la manière dont ils interagissent avec leur environnement et la dynamique et l’évolution de notre propre galaxie. L'étude, « Variabilité non-stop de Sgr A* en utilisant JWST à des longueurs d'onde de 2,1 et 4,8 microns : preuve de populations distinctes d'émissions variables faibles et brillantes », est publiée dans The Astrophysical Journal Letters.
« On s'attend à ce que des éruptions se produisent dans pratiquement tous les trous noirs supermassifs, mais notre trou noir est unique », a déclaré Farhad Yusef-Zadeh, de Northwestern, qui a dirigé l'étude. « Il est toujours en pleine activité et ne semble jamais atteindre un état stable. Nous avons observé le trou noir à plusieurs reprises en 2023 et 2024, et nous avons remarqué des changements dans chaque observation. Nous avons vu quelque chose de différent à chaque fois, ce qui est vraiment remarquable. Rien n'est jamais resté pareil ».
Yusef-Zadeh, spécialiste du centre de la Voie lactée, est professeur de physique et d'astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de l'université Northwestern. L'équipe internationale de coauteurs comprend Howard Bushouse du Space Telescope Science Institute, Richard G. Arendt de la NASA, Mark Wardle de l'université Macquarie en Australie, Joseph Michail de Harvard & Smithsonian et Claire Chandler du National Radio Astronomy Observatory.
Grâce au télescope spatial James Webb de la NASA, les astrophysiciens de Northwestern ont obtenu l'aperçu le plus long et le plus détaillé à ce jour du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Ils ont découvert que le disque d'accrétion du trou noir émet un flux constant d'éruptions sans période de repos. Cette vidéo montre les données de 2,1 microns prises le 7 avril 2024. Crédit : Farhad Yusef-Zadeh/Northwestern University
Feux d'artifice aléatoires
Pour mener cette étude, Yusef-Zadeh et son équipe ont utilisé la caméra proche infrarouge (NIRCam) du JWST, qui permet d'observer simultanément deux couleurs infrarouges pendant de longues périodes. Grâce à cet outil d'imagerie, les chercheurs ont observé Sagittarius A* pendant un total de 48 heures, par tranches de 8 à 10 heures sur une année. Cela a permis aux scientifiques de suivre l'évolution du trou noir au fil du temps.
Alors que Yusef-Zadeh s'attendait à observer des éruptions, Sagittarius A* s'est révélé plus actif que prévu. En d'autres termes, les observations ont révélé un feu d'artifice continu de luminosité et de durée variables. Le disque d'accrétion entourant le trou noir a généré cinq à six grosses éruptions par jour et plusieurs petites sous-éruptions entre les deux.
« Nos données nous ont permis de voir une luminosité en constante évolution et bouillonnante », a déclaré Yusef-Zadeh. « Et puis boum ! Une grande explosion de luminosité est soudainement apparue. Puis, elle s'est calmée à nouveau. Nous n'avons pas pu trouver de modèle dans cette activité. Elle semble être aléatoire. Le profil d'activité du trou noir était nouveau et passionnant à chaque fois que nous l'observions ».
Deux processus distincts en jeu
Bien que les astrophysiciens ne comprennent pas encore parfaitement les processus en jeu, Yusef-Zadeh soupçonne que deux processus distincts sont responsables des sursauts brefs et des éruptions plus longues. Si le disque d'accrétion est une rivière, alors les scintillements courts et faibles ressemblent à de petites ondulations qui fluctuent de manière aléatoire à la surface de la rivière. Les éruptions plus longues et plus brillantes, en revanche, ressemblent davantage à des raz-de-marée, causés par des événements plus importants.
Yusef-Zadeh avance l'hypothèse que des perturbations mineures au sein du disque d'accrétion sont probablement à l'origine de ces faibles scintillements. Plus précisément, des fluctuations turbulentes au sein du disque peuvent comprimer le plasma (un gaz chaud et chargé électriquement) et provoquer une explosion temporaire de rayonnement. Yusef-Zadeh compare cet événement à une éruption solaire.
« C'est un peu comme le champ magnétique du soleil qui se rassemble, se comprime et déclenche une éruption solaire », a-t-il expliqué. « Bien sûr, les processus sont plus spectaculaires car l'environnement autour d'un trou noir est beaucoup plus énergétique et beaucoup plus extrême. Mais la surface du soleil bouillonne également d'activité. » Yusef-Zadeh attribue ces éruptions lumineuses et de grande ampleur à des phénomènes de reconnexion magnétique, un processus au cours duquel deux champs magnétiques entrent en collision, libérant de l'énergie sous forme de particules accélérées. Se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière, ces particules émettent des rafales de rayonnement intense.
« Un événement de reconnexion magnétique est comme une étincelle d'électricité statique, qui, dans un sens, est également une « reconnexion électrique » », a déclaré Yusef-Zadeh.
Vision double
Comme la caméra NIRCam du JWST peut observer deux longueurs d'onde distinctes (2,1 et 4,8 microns) en même temps, Yusef-Zadeh et ses collaborateurs ont pu comparer la façon dont la luminosité des éruptions changeait avec chaque longueur d'onde. Selon Yusef-Zadeh, capturer la lumière à deux longueurs d'onde revient à « voir en couleur plutôt qu'en noir et blanc ».
En observant Sagittarius A* à plusieurs longueurs d’onde, il a obtenu une image plus complète et nuancée de son comportement.
Une fois de plus, les chercheurs ont eu une surprise. De manière inattendue, ils ont découvert que les événements observés à la longueur d’onde la plus courte changeaient de luminosité légèrement avant les événements à longueur d’onde la plus longue.
« C'est la première fois que nous observons un décalage temporel dans les mesures à ces longueurs d'onde », a déclaré Yusef-Zadeh. « Nous avons observé ces longueurs d'onde simultanément avec NIRCam et avons remarqué que la longueur d'onde la plus longue est en retard par rapport à la longueur d'onde la plus courte d'un très petit intervalle, peut-être de quelques secondes à 40 secondes ».
Ce décalage temporel a fourni des indices supplémentaires sur les processus physiques qui se déroulent autour du trou noir. Une explication possible est que les particules perdent de l’énergie au cours de l’éruption, plus rapidement à des longueurs d’onde plus courtes qu’à des longueurs d’onde plus longues. De tels changements sont attendus pour les particules qui tournent en spirale autour des lignes de champ magnétique.
Visez une longue observation ininterrompue
Pour approfondir ces questions, Yusef-Zadeh espère utiliser le JWST pour observer Sagittarius A* pendant une période plus longue. Il a récemment soumis une proposition visant à observer le trou noir pendant 24 heures sans interruption. Cette période d'observation plus longue contribuera à réduire le bruit, ce qui permettra aux chercheurs d'observer des détails encore plus fins.
« Lorsque l'on observe des éruptions aussi faibles, il faut lutter contre le bruit », a déclaré Yusef-Zadeh. « Si nous pouvons observer pendant 24 heures, nous pouvons réduire le bruit pour voir des caractéristiques que nous ne pouvions pas voir auparavant. Ce serait incroyable. Nous pouvons également voir si ces éruptions présentent une périodicité (ou se répètent) ou si elles sont vraiment aléatoires ».
Plus d'informations : F. Yusef-Zadeh et al., Variabilité continue de Sgr A* à l'aide de JWST à des longueurs d'onde de 2,1 et 4,8 μm : preuve de populations distinctes d'émissions variables faibles et brillantes, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI : 10.3847/2041-8213/ada88b Sur arXiv (2025). DOI : 10.48550/arxiv.2501.04096
Fourni par l'Université Northwestern
