D'une manière un peu similaire à la formation d'une alliance pour vaincre l'Étoile de la mort de Dark Vador, il y a plus d'une décennie, les astronomes ont formé le consortium Whole Earth Blazar Telescope pour comprendre le Death Ray Gun de Nature (alias Et contrairement à son nom retentissant à la porte de la mort, le GASP s'est révélé crucial pour percer les secrets du fonctionnement du «LHC» de la nature.
"En tant que plus grands accélérateurs de l'univers, les jets blazar sont importants à comprendre", a déclaré Masaaki Hayashida, chercheur au Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), auteur correspondant du récent article présentant les nouveaux résultats avec l'astrophysicien KIPAC Greg Madejski. «Mais comment ils sont produits et comment ils sont structurés n'est pas bien compris. Nous cherchons toujours à comprendre les bases. "
Les blazars dominent le ciel gamma, des taches discrètes sur le fond sombre de l'univers. Alors que la matière voisine tombe dans le trou noir supermassif au centre d'un blazar, «alimentant» le trou noir, elle rejette une partie de cette énergie dans l'univers comme un jet de particules.
Les chercheurs avaient précédemment émis l'hypothèse que de tels jets sont maintenus ensemble par de fortes vrilles de champ magnétique, tandis que la lumière du jet est créée par des particules en spirale autour de ces «lignes» de champ magnétique minces.
Pourtant, jusqu'à présent, les détails ont été relativement mal compris. La récente étude bouleverse la compréhension actuelle de la structure du jet, révélant de nouvelles perspectives sur ces bêtes mystérieuses mais puissantes.
«Ce travail est une étape importante vers la compréhension de la physique de ces jets», a déclaré le directeur de KIPAC, Roger Blandford. "C'est ce type d'observation qui va nous permettre de comprendre leur anatomie."
Au cours d'une année complète d'observations, les chercheurs se sont concentrés sur un jet blazar particulier, le 3C279, situé dans la constellation de la Vierge, le surveillant dans de nombreuses bandes d'ondes différentes: rayons gamma, rayons X, optiques, infrarouges et radio. Les blazars scintillent continuellement et les chercheurs s'attendaient à des changements continus dans toutes les bandes d'ondes. Au milieu de l'année, cependant, les chercheurs ont observé un changement spectaculaire de l'émission optique et des rayons gamma du jet: une éruption de 20 jours de rayons gamma s'est accompagnée d'un changement spectaculaire de la lumière optique du jet.
Bien que la plupart de la lumière optique ne soit pas polarisée - consistant en une lumière avec un mélange égal de toutes les polarisations - la flexion extrême des particules énergétiques autour d'une ligne de champ magnétique peut polariser la lumière. Pendant la fusée de rayons gamma de 20 jours, la lumière optique du jet a changé sa polarisation. Cette connexion temporelle entre les changements dans la lumière des rayons gamma et les changements dans la polarisation optique suggère que la lumière dans les deux bandes d'ondes est créée dans la même partie du jet; pendant ces 20 jours, quelque chose dans l'environnement local a changé pour faire varier la lumière optique et gamma.
«Nous avons une assez bonne idée de l'endroit où se crée la lumière optique du jet; maintenant que nous savons que les rayons gamma et la lumière optique sont créés au même endroit, nous pouvons pour la première fois déterminer d'où viennent les rayons gamma », a déclaré Hayashida.
Cette connaissance a des implications profondes sur la façon dont un trou noir supermassif produit des jets polaires. La grande majorité de l'énergie libérée dans un jet s'échappe sous forme de rayons gamma, et les chercheurs pensaient auparavant que toute cette énergie doit être libérée près du trou noir, près de l'endroit où la matière qui coule dans le trou noir abandonne son énergie dans le première place. Pourtant, les nouveaux résultats suggèrent que - comme la lumière optique - les rayons gamma sont émis relativement loin du trou noir. Selon Hayashida et Madejski, cela suggère à son tour que les lignes de champ magnétique doivent d'une manière ou d'une autre aider l'énergie à se déplacer loin du trou noir avant d'être libérée sous forme de rayons gamma.
"Ce que nous avons trouvé était très différent de ce que nous attendions", a déclaré Madejski. «Les données suggèrent que les rayons gamma sont produits non pas un ou deux jours-lumière à partir du trou noir [comme prévu] mais plus près d'une année-lumière. C'est surprenant. "
En plus de révéler où se produit la lumière du jet, le changement progressif de la polarisation de la lumière optique révèle également quelque chose d'inattendu dans la forme globale du jet: le jet semble se courber en s'éloignant du trou noir.
"À un moment donné au cours d'une éruption de rayons gamma, la polarisation a tourné d'environ 180 degrés lorsque l'intensité de la lumière a changé", a déclaré Hayashida. "Cela suggère que l'ensemble du jet se courbe."
Cette nouvelle compréhension du fonctionnement interne et de la construction d'un jet blazar nécessite un nouveau modèle de travail de la structure du jet, dans lequel le jet se courbe de façon spectaculaire et la lumière la plus énergique provient loin du trou noir. C'est là, selon Madejski, que les théoriciens interviennent. «Notre étude pose un défi très important aux théoriciens: comment construiriez-vous un jet qui pourrait potentiellement transporter de l'énergie si loin du trou noir? Et comment pourrions-nous alors détecter cela? La prise en compte des lignes de champ magnétique n'est pas simple. Les calculs associés sont difficiles à faire analytiquement et doivent être résolus avec des schémas numériques extrêmement complexes. »
Le théoricien Jonathan McKinney, boursier Einstein de l'Université de Stanford et expert de la formation de jets magnétisés, convient que les résultats posent autant de questions qu'ils répondent. "Il y a une controverse de longue date à propos de ces jets - sur la provenance exacte de l'émission de rayons gamma. Ce travail limite les types de modèles de jet qui sont possibles », a déclaré McKinney, qui n'est pas associé à la récente étude. "Du point de vue d'un théoricien, je suis excité parce que cela signifie que nous devons repenser nos modèles."
Alors que les théoriciens réfléchissent à la manière dont les nouvelles observations s’adaptent aux modèles de fonctionnement des jets, Hayashida, Madejski et d’autres membres de l’équipe de recherche continueront de recueillir davantage de données. «Il est clairement nécessaire de mener de telles observations sur tous les types de lumière pour mieux comprendre cela», a déclaré Madejski. «Il faut une énorme coordination pour réaliser ce type d'étude, qui comprenait plus de 250 scientifiques et des données d'environ 20 télescopes. Mais ça vaut le coup."
Grâce à cette étude et aux futures études multi-longueurs d’ondes, les théoriciens auront de nouvelles perspectives pour concevoir des modèles de fonctionnement des plus grands accélérateurs de l’univers. Dark Vador s'est vu refuser tout accès à ces résultats de recherche.
Sources: Communiqué de presse du DOE / SLAC National Accelerator Laboratory, article dans le numéro du 18 février 2010 de Nature.
