Paris, 4 septembre 2013

La faible luminosité du trou noir super-massif de notre galaxie enfin expliquée
Comment les trous noirs super-massifs peuvent-ils capturer de la matière sans émettre beaucoup de rayonnement ? Grâce à un programme sans précédent d'observations en rayons X de Sagittarius A étoile (Sgr A*), le trou noir super-massif au centre de notre galaxie, une collaboration internationale à laquelle participent des chercheurs de l'Observatoire astronomique de Strasbourg (CNRS/Université de Strasbourg) apporte aujourd'hui une explication : leurs travaux ont démontré que les rayons X émis dans le voisinage de ce trou noir ne proviennent pas de couronnes d'étoiles actives mais principalement d'un gaz, trop chaud pour être capturé efficacement. Ces résultats sont parus dans l'édition du 30 août 2013 de la revue Science.
Les galaxies de taille normale, comme notre Voie lactée, abritent en leur centre un trou noir super-massif d'une masse de quelques millions à quelques milliards de fois celle du Soleil. Le noyau de certaines de ces galaxies peut être plus lumineux que toutes les étoiles de la galaxie, grâce au champ de gravité intense du trou noir super-massif qui capture la matière dans son voisinage, et libère une quantité phénoménale d'énergie gravitationnelle. Cependant, pour une raison indéterminée jusqu'ici, la plupart des noyaux de galaxies dans l'Univers local sont peu voire pas actifs, alors que la quantité de matière autour de leur trou noir super-massif central semble suffisante pour les rendre beaucoup plus lumineux.
 
Ainsi, au centre de la Voie Lactée, à 26000 années-lumière de la Terre, le trou noir super-massif Sgr A* est seulement une centaine de fois plus lumineux que le Soleil, alors qu'il est quatre millions de fois plus massif. Une fois par jour en moyenne, Sgr A* produit des éruptions en rayons X : sa luminosité peut alors augmenter de 160 fois en quelques dizaines de minutes1.

Une équipe internationale s'est concentrée sur l'étude de la matière capturée et/ou éjectée par Sgr A* à la fois à l'état de repos comme lors de ses éruptions. Pour ce faire, elle a analysé les images et spectres en rayons X de Sgr A* d'une résolution et d'une sensibilité sans précédent,  obtenues en 2012 grâce à une observation en rayons X avec le satellite Chandra de la NASA2 et son réseau par transmission à hautes énergies durant 35 jours cumulés.


Les images obtenues ont permis de distinguer deux composantes autour de Sgr A*: une émission ponctuelle variable, provenant des éruptions de Sgr A* et une émission étendue constante, avec une élongation compatible avec le disque d'étoiles massives en orbite autour de Sgr A*, dont les vents alimentent en gaz ce trou noir super-massif.

Les spectres de cette émission étendue ont permis de détecter clairement la raie Héliumoïde du fer à 6.7 keV, mais la raie Hydrogénoïde du fer à 7 keV et la raie du fer neutre ou faiblement ionisé à 6.4 keV ne sont pas visibles. "L'absence de cette raie du fer neutre ou faiblement ionisé permet de conclure que l'émission en rayons X ne provient pas des couronnes d'étoiles  actives comme une étude précédente l'avait proposé, mais bien du gaz capturé par le trou noir super-massif" commente Nicolas Grosso, de l'Observatoire astronomique de Strasbourg, l'un des chercheurs de cette équipe internationale. "Par contre, des raies d'émission d'autres éléments, comme le soufre, le calcium et l'argon, sont détectées ici pour la première fois : l'ensemble de ces raies d'émission en rayons X nous a permis de déduire la température, la densité, et la masse du gaz en fonction de sa distance au trou noir" explique Delphine Porquet, autre auteure de cet article.

Les caractéristiques du spectre en rayons X démontrent que le flot de gaz vers le trou noir super-massif ne peut pas exister sans une éjection massive de gaz. Le gaz est trop chaud pour être capturé efficacement par le trou noir : 99% du flot de gaz capturé à grande distance est finalement éjecté avant d'avoir pu atteindre la proximité du trou noir. Cela permet d'expliquer la faible luminosité de ce trou noir super-massif, et renforce les modèles de flots d'accrétion radiativement inefficaces.

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Paris, 9 décembre 2009

Fermi détecte l'éruption la plus intense jamais observée en rayons gamma

L'éruption exceptionnelle d'un « blazar(1)» a été détectée par les équipes de la collaboration Fermi, qui implique le CNRS-IN2P3(2) et INSU(3) et le CEA-Irfu(4). Cette galaxie à noyau actif est ainsi devenue la source la plus brillante du ciel observée en rayons gamma. Sa détection devrait permettre de donner un éclairage unique sur le fonctionnement de ces objets cosmiques extraordinaires.

Appartenant à la famille des blazars, la galaxie 3C 454.3, située à 7,2 milliards d'années lumière dans la constellation de Pégase, a attiré l'attention de l'équipe du  télescope Fermi, lancé par la Nasa, et des astronomes du monde entier. Une série d'éruptions successives débutée le 15 septembre a rendu cette galaxie 10 fois plus lumineuse que l'été dernier, en  faisant ainsi la source la plus brillante du ciel observée en rayons gamma.

Comme beaucoup de galaxies à noyaux actifs, les blazars émettent des jets dirigés dans des directions opposés de part et d'autre du plan de la galaxie.  Ces jets sont composés de particules accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière grâce à l'énergie provenant de matière tombant vers le trou noir du centre de la galaxie. La brillance exceptionnelle en rayons gamma d'un blazar s'explique par son orientation : l'un des jets est pointé directement vers nous, ce qui amplifie sa luminosité.

La source persistante la plus brillante du ciel gamma est habituellement le pulsar Vela (étoile à neutrons), distant de seulement 1000 années lumière. « La galaxie active  3C454.3  est 7 millions de fois plus éloignée et pourtant, durant l'éruption actuelle, elle est deux fois plus brillante que Vela », précise Lise Escande, doctorante au CENBG (Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan), qui travaille sur l'analyse scientifique de cet événement au sein de la collaboration internationale Fermi(5).  « Cela représente une quantité incroyable d'énergie rayonnée, qui ne peut pas être maintenue continuellement. » La cause des variations d'activité reste indéterminée, mais elle est probablement liée à des phénomènes ayant lieu dans le disque d'accrétion qui alimente le jet en énergie ou au voisinage immédiat du trou noir d'où émerge le jet.  

Les blazars émettent aussi des rayonnements de plus basse énergie. La luminosité de 3C 454.3 a également augmenté dans les domaines radio, optique et X. L'activité est constamment surveillée par un réseau d'observatoires répartis sur l'ensemble du globe, les variations corrélées entre différents rayonnements étant riches d'enseignement. Des événements exceptionnels tels que l'éruption de 3C454.3  fournissent un éclairage unique sur les phénomènes à l'œuvre et les conditions physiques qui prévalent dans ces objets extraordinaires.

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17 juillet 2003

La matière noire d'un amas de galaxies lointain cartographiée par le télescope spatial Hubble
Une équipe internationale d'astronomes , dirigée par Jean-Paul Kneib, chargé de recherche au CNRS (laboratoire d'astrophysique de l'Observatoire Midi-Pyrénées / Université Toulouse 3 - CNRS et Caltech) a cartographié la distribution de la matière noire dans un amas de galaxies en utilisant le télescope spatial Hubble. Ces résultats seront présentés à l'assemblée générale de l'Union Astronomique Internationale à Sidney en Australie. C'est la plus longue observation d'un amas de galaxies jamais réalisée avec Hubble. Ces recherches permettent pour la première fois d'avoir une vision complète d'un amas de galaxies jusqu'à des distances de plus de 15 millions d'années lumière à partir du centre de l'amas. En comparant la carte de matière noire avec la répartition des galaxies et de la matière lumineuse de l'amas, les chercheurs peuvent ainsi mieux comprendre de quelle manière ces amas se sont formés et le rôle de la matière noire au cours de l'évolution cosmique.
 
Plus de 80% de la masse de l'Univers n'émet aucune lumière : c'est la matière noire, dont la nature et la répartition dans l'Univers sont encore mal connues. Les amas de galaxies sont les plus grandes structures stables de l'Univers et des " laboratoires " privilégiés pour étudier les relations entre la matière ordinaire : galaxies, étoiles, gaz intergalactique, et cette mystérieuse matière noire. Dès 1937, l'astronome Fritz Zwicky avait en effet remarqué que les milliards d'étoiles des milliers de galaxies d'un amas ne représentaient qu'une toute petite fraction de la masse totale de ces systèmes. Environ 80 à 85 % de la matière est de fait invisible.

Bien que la présence de cette matière soit connue depuis plusieurs décennies, ce n'est que récemment que les chercheurs ont trouvé une technique pour déterminer sa répartition dans les amas de galaxies.

Pour ce faire, il faut observer des milliers de galaxies très peu lumineuses, situées derrière l'amas cible. Ce sont les formes de ces galaxies qui permettent de reconstituer la distribution de la matière, lumineuse et sombre, dans l'amas. Les rayons lumineux qui nous proviennent de ces galaxies très lointaines sont en effet courbés par l'énorme masse de l'amas suivant un effet de relativité générale connu sous le nom de " lentille gravitationnelle ". Les images des galaxies d'arrière plan sont donc déformées et en mesurant exactement ces déformations on peut cartographier la distribution de la masse de l'amas.

L'équipe internationale d'astronomes, rassemblée autour de Jean-Paul Kneib vient de cartographier la matière noire dans l'amas de galaxies Cl0024+1654, exercice difficile puisque par définition cette matière n'émet pas de lumière. Pour réaliser les images de l'amas et des galaxies d'arrière-plan, plus de 120 heures d'observations avec le télescope spatial Hubble ont été nécessaires. Bien que distant d'environ 4.5 milliards d'années lumières (soit à peu près un tiers de l'âge de l'Univers), cet amas massif occupe sur le ciel une surface comparable à la taille de la pleine lune.

Ce travail montre que la densité de matière à grande échelle chute fortement quand on s'éloigne du centre de l'amas. Ce résultat est en cohérence avec les simulations numériques les plus récentes.

De manière plus détaillée, l'équipe a détecté des sous-structures dans la carte de matière noire. Ils ont, en particulier mis en évidence une concentration de matière noire associée avec un groupe de galaxies qui est en train de fusionner avec l'amas.

Les chercheurs en concluent que la matière noire suit précisément la distribution des galaxies, et ce sur de très grandes échelles. " Lorsqu'un amas est en train de se former, la matière noire s'étale entre les galaxies et joue le rôle d'un liant entre les galaxies. L'association entre galaxies et matière noire, observée dans l'amas Cl0024+1654 indique que de telles structures se forment par l'agrégation de groupes plus petits, qui eux-mêmes ont déjà leur composante de matière noire. " explique Jean-Paul Kneib.

La caméra WFPC2 (Wide Field and Planetary Camera 2) a été utilisée pour ces observations. La camera ACS (Adcanced Camera for Survey), dix fois plus efficace, qui vient d'être installée sur Hubble, permettra de continuer de telles observations sur d'autres amas. Il sera donc possible d'étudier de plus petites structures en masse et donc de mieux comprendre comment les amas de galaxies se sont formés.

En retraçant ainsi la distribution de la matière noire dans les structures les plus massives de l'Univers, les astronomes progressent dans la compréhension de la formation de ces structures géantes et du rôle clef que joue certainement la matière noire dans leur évolution et celle de l'Univers en général.

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Paris, 13 février 2012

Découverte d'îlots de gaz froid dans notre Galaxie
Grâce à l'instrument HFI de la mission Planck de l'ESA, une équipe internationale comprenant de nombreux chercheurs du CNRS, du CEA et d'universités françaises, vient de révéler que notre Galaxie contient des îlots de gaz froid jusque-là inconnus. Ce résultat sera présenté cette semaine lors d'une conférence internationale à Bologne (Italie) où des scientifiques du monde entier discuteront ensemble des résultats intermédiaires de la mission Planck.
Les nuages froids présents dans les galaxies, en particulier dans notre Voie Lactée, constituent des "réservoirs" à partir desquels se forment les étoiles. Ils se composent essentiellement de molécules d'hydrogène, et dans une moindre mesure de monoxyde de carbone.
Les molécules d'hydrogène sont cependant difficiles à détecter car elles émettent peu de rayonnement. Bien que beaucoup moins abondant, le monoxyde de carbone se forme dans des conditions similaires et émet, à l'inverse, facilement de la lumière. C'est pour cette raison que les astronomes l'utilisent comme traceur pour cartographier les nuages d'hydrogène. "Il se trouve que Planck est un excellent détecteur de monoxyde de carbone sur l'ensemble du ciel" indique Jonathan Aumont, chercheur à l'Institut d'astrophysique spatiale  (Université Paris-Sud/CNRS) à Orsay.
Une équipe internationale, dont de nombreux chercheurs du CNRS, du CEA et d'universités françaises, a donc souhaité utiliser l'instrument HFI de la mission Planck de l'ESA pour dresser la première carte complète de la distribution du monoxyde de carbone dans notre Galaxie. "Planck balaye systématiquement l'ensemble du ciel, ce qui nous a permis de détecter des concentrations de gaz moléculaire là où on ne les attendait pas" précise Jonathan Aumont. Un avantage d'autant plus précieux que les télescopes radio demandent beaucoup de temps et sont donc souvent focalisés sur les portions du ciel où l'on soupçonne déjà l'existence de ces nuages moléculaires.

Ce résultat sera présenté cette semaine lors d'une conférence internationale à Bologne (Italie), où des scientifiques du monde entier discutent ensemble des résultats intermédiaires de la mission, dont la découverte également d'un mystérieux "voile micro-ondes" dans la Voie Lactée. Pour Jan Tauber, responsable scientifique de Planck à l'ESA, "les résultats obtenus, à ce stade de la mission, sur le voile galactique et sur la distribution du monoxyde de carbone nous donnent un point de vue inédit sur certains processus physiques à l'œuvre dans notre Galaxie".

La participation française à la mission Planck

La mission Planck voit une très forte participation des laboratoires du CNRS, des universités et du CEA (voir détail ci-dessous), qui ont travaillé dans le cadre du consortium HFI, instrument français dont Jean-Loup Puget, de l'IAS, est le responsable scientifique tandis que François Bouchet, de l'Institut d'astrophysique de Paris (UPMC/CNRS), coordonne l'analyse scientifique des données.

Ces équipes, soutenues par le CNES, l'agence spatiale française, ont joué un rôle de premier plan dans l'analyse des données de Planck, la construction de la première édition du catalogue de sources Planck et les premiers résultats astrophysiques publiés en janvier 2011, ceux à venir dans les prochains mois et la préparation des résultats cosmologiques qui seront présentés en 2013. Le CNES a accompagné très tôt le projet Planck par des études de recherche et développement, en coordonnant les efforts des équipes des laboratoires du CNRS, du CEA, et de l'industrie (Thales Alenia Space, Air Liquide). Son implication se poursuit par son support aux équipes scientifiques impliquées dans l'exploitation des données scientifiques.

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