Gravitation - De l'Univers

Dès 1918, Heber Curtis, de l'Observatoire Lick en Californie, avait découvert, partant du cœur de la cette galaxie, un fin jet lumineux, rectiligne, s'étendant vers l'ouest à plus de 5.000 années de lumière. (1)

Par la suite, M87 fut identifiée à une radiosource intense, Virgo A, l'une des plus puissantes connues. (Notons que la radioastronomie est la branche de l'astronomie qui étudie le rayonnement électromagnétique des objets célestes dans le domaine des ondes radioélectriques). Fait remarquable, les dernières images du jet de la galaxie prises dans le domaine radio, à l'Observatoire national de Radioastronomie (NRAO) en Virginie, et, il y a peu, dans le domaine optique, par le Hubble Space Telescope, sont quasiment identiques. Une cartographie détaillée laissa apparaître une extrême similitude dans les structures des émissions optiques et radio, preuve d'une origine commune de ces différentes émissions.

On peut rappeler qu'à l'heure actuelle, la grande majorité des milliers de radiosources extragalactiques détectées n'ont pu encore être identifiées optiquement. La recherche d'une contrepartie visible est un travail difficile car il exige une très grande précision sur la position de la radiosource et les observations optiques sont à la limite de la sensibilité des détecteurs actuels.

Une dépêche de l'AFP devait nous le préciser : le centre de Virgo, source très brillante d'ondes radio, coïncide avec le noyau très brillant de la galaxie enregistré dans le visible, au centre d'un halo d'étoiles de plus en plus dense et brillant, au fur et à mesure que l'on se rapproche du noyau. A l'évidence, selon des astronomes réunis récemment par la Société américaine d'Astronomie (AAS), à Atlanta, le cœur de M87 est un trou noir massif.

Il fait rappeler que cette hypothèse avait djà été émise par Peter Young qui avait prédit que la densité stellaire dans une galaxie ordinaire devrait croître de la périphérie au centre, mais jusqu'à un certain point. En revanche, lorsque la galaxie abrite un trou noir massif en son centre, celui-ci devrait aspirer les étoiles en un flot continu, atteignant un pic de densité dans son voisinage.

C'est précisément, remarque la dépêche, ce que l'on constate sur les images prises par le Hubble Space Telescope. Selon Todd Lauer et ses collègues des Observatoires nationaux d'Astronomie optique (NOAO, Arizona), la densité des étoiles près du noyau de M87 est 500 fois plus élevée que celle attendue pour une galaxie normale, ce qui confère au trou noir une masse 2,6 milliards de fois supérieure à celle du Soleil.

Reste, selon l'astronome, à confirmer cette découverte. La meilleure preuve devrait être apportée par l'analyse spectrale, analyse qui devrait montrer le mouvement des étoiles vers le centre de la galaxie.

Par ailleurs, le jet brillant dans M87, jet qui apparaît comme un trait (continuum), témoigne d'un phénomène violent de type nucléaire dans le noyau galactique. Nombreux sont les astronomes qui, pour cette raison, l'associent aussi à un trou noir géant. C'est dans cette direction que sont allées les recherches de trois astronomes de l'ESO (Organisation Europ¢enne pour des Recherches Astronomiques dans l'Hémisphère Austral) : Palle Møller, Massimo Stiavelli et Werner Zeilinger. (2)

Une découverte européenne

Ces scientifiques européens viennent d'annoncer la découverte, grâce au télescope optique (NOT) des Canaries, d'un second trait lumineux, en forme d'arc, à l'est du noyau galactique de M87, c'est-à-dire, à l'opposé du seul jet connu jusqu'ici. Pour ces astronomes, cet arc lumineux se trouve à 6.000 années de lumière et est dû au même processus physique que celui qui est responsable de l'émission radio de la galaxie : un rayonnement synchrotron.

La galaxie M87 est bien une source émettrice d'une radiation par émission synchrotron (rayonnement électromagnétique émis par des électrons en mouvement dans un champ magnétique) à l'origine de l'émission radioélectrique, produite par des particules de rayons cosmiques de grande énergie tournant en spirale le long des champs magnétiques de la galaxie, particules sans doute émises par des réactions nucléaires centrales. Les observations indiquent également la présence d'un milieu diffus émettant des ondes radio et englobant la quasi totalité de la galaxie.

Cependant, contrairement à la plupart des autres galaxies radio, on n'avait jusqu'à présent aucune indication de l'existence d'un contre-jet dans la direction opposée, c'est-à-dire vers l'est. Ceci pouvait laisser supposer que M87 était un cas assez particulier et peut-être même très différent des autres galaxies radio à jets. M87 avait son mystère et posait une énigme.

Grâce aux travaux des astronomes de l'ESO, l'énigme a sa solution. Ils ont utilisé le Nordic Optical Telescope (NOT) installé sur l'île de La Palma aux Canaries, pour observer la galaxie M87 dans les meilleures conditions possibles. Grâce aussi à l'excellente qualité optique de cet instrument, il a été possible d'obtenir, pour la toute première fois, des images optiques qui font apparaître clairement la présence d'un contre-jet et ôtent, par la même occasion, l'aspect particulièrement exceptionnel que revêtait cette galaxie.

C'est l'occasion de rappeler encore quelques notions d'astronomie, de manière à bien situer notre propos.

La radiogalaxie géante M87

Dès qu'elle fut photographiée dans le visible, la galaxie M87 apparut comme étant une des galaxies elliptiques les plus brillantes. Elle émet également de façon intense en fréquence radio et, à ce titre, répétons-le, elle est connue sous le nom de Virgo A, l'une des sources radio les plus puissantes enregistrées à ce jour.

M87 est environ dix fois plus brillante que notre Galaxie et contient plus de mille milliards d'étoiles semblables à notre Soleil.

Les astronomes ont convenu de diviser les radiogalaxies en deux classes, selon l'intensité radio et selon le degré de symétrie de l'émission radio. Le type I comprend des objets moins puissants et moins symétriques que ceux repris dans le type II.

Jusqu'à aujourd'hui, M87 était classée comme faisant partie du type I, essentiellement à cause de la position asymétrique de son seul jet s'étendant à 6.000 années de lumière à l'est du centre galactique.

Maintenant, on est presque certain que toutes les radiogalaxies brillantes et symétriques de type II comportent deux jets diamétralement opposés, constitués de particules très fortement énergétiques, des électrons pour la plupart, se déplaçant à une vitesse fort proche de celle de la lumière et véhiculant, du centre vers l'extérieur, de grandes quantités d'énergie.

Comme nous l'avons déjà relaté ci-dessus et comme nous le rappelle le "press release" de l'ESO, l'émission radio enregistrée au niveau des jets est le produit d'un mécanisme bien connu dit "synchrotron", qui fonctionne lorsque de telles particules interagissent avec un champ magnétique puissant.

Généralement, cette émission synchrotron s'observe en ondes radio. Cependant, dans un certain nombre de galaxies de type II, il est possible de l'observer dans le domaine visible, c'est-à-dire, dans des longueurs d'onde optiques.

L'image optique du contre-jet

Comme-nous le précise l'ESO, les observations radio de la galaxie M87 laissent apparaître une émission diffuse de l'autre côté du jet principal. Mais elles ne fournissent pas de preuves évidentes de l'existence d'un contre-jet. Les observations optiques de la première heure ne montraient rien non plus.

Cependant, grâce aux images réellement excellentes obtenues dans des conditions presque parfaites au télescope NOT (voir ci-dessus), les astronomes de l'ESO ont pu maintenant détecter un filament en forme d'arc à l'est du centre de M87, c'est-à-dire, dans la direction opposée du jet principal.

Supposant que la distance de M87 est de 50 millions d'années de lumière, la distance angulaire de l'arc au centre de M87 (environ 24 secondes d'arc) correspond à environ 6.000 années de lumière, ce qui équivaut au quart de la distance du Soleil au centre de la Voie Lactée.

Les nouvelles images de M87 ont été obtenues dans des longueurs d'onde différentes. Il était dès lors possible de mesurer avec précision la couleur de la nébuleuse en forme d'arc. Elle est plutôt rouge et correspond assez bien à ce qui était attendu de la part d'une émission synchrotron. Les astronomes concluent que l'arc brille par le même processus physique que celui qui est responsable de l'émision radio.

Mieux, des images bleues de haute qualité de M87 furent obtenues au télescope ESO/MPI de 2,2 mètres sur le site d'observation de l'ESO à La Silla au Chili. En collaboration avec John Biretta, du NRAO à Socorro (Nouveau-Mexique), ces nouvelles données optiques ont été comparées en détail à des images radio fournies par le VLA (Very Large Array) qui est le très grand réseau radio-interféromètre des Etats-Unis (il comporte 27 antennes paraboloïdales orientables de 26 m de diamètre chacune, mobiles sur des rails et disposées en un immense Y dont les branches est et ouest s'étendent sur 31 km de long et la branche nord sur 19 km).

L'émission optique est observée à l'exacte localisation d'un "point chaud" radio. Leur origine ne peut être que commune.

La nature du contre-jet

Les chercheurs de l'ESO concluent que le contre-jet a la forme d'un cône creux qui part du noyau de la galaxie, dans un nuage de matière interstellaire, au travers duquel le contre-jet a creusé son chemin actuel. Les électrons se meuvent à l'intérieur de ce cône sans émettre beaucoup d'énergie. C'est pour cette raison que la part correspondante du contre-jet n'est pas visible.

Cependant, à l'endroit de la structure en forme d'arc, les électrons s'accumulent et compriment la matière interstellaire, émettant un rayonnement synchrotron visible, de même nature que celui du long jet émis à l'est et seul connu jusqu'à aujourd'hui.

Les images optiques réalisées par l'ESO font la preuve que la galaxie M87 est, en définitive, assez similaire aux radiogalaxies à doubles jets. D'autres études sont nécessaires pour mieux comprendre comment le contre-jet peut transporter la grande quatité d'énergie nécessaire pour justifier l'émission synchrotron observée sur d'aussi grandes distances, sans être détectable.

Avec cette découverte européenne, la galaxie géante M87 pert son énigme et se retrouve mieux en accord avec la théorie cosmologique classique. Elle n'en garde pas moins une certaine aura de mystère. Elle ne nous a pas encore vraiement livré son cœur.

Pierre Bastin