Echos d’Eruptions Multiples de Sagittarius A* révélés par Chandra

Une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs du laboratoire APC à Paris et du SAp/CEA à Saclay, France, a étudié l’émission diffuse X émanant d’une région proche du centre de notre Galaxie en utilisant l’Observatoire X Chandra.

Les variations rapides et complexes que les chercheurs ont observées ne peuvent être expliquées que par un rayonnement X intense réfléchi par les nuages moléculaires de la région. Le rayonnement requis n’a pu être produit que par le trou noir super-massif au centre de la Galaxie, ce dernier ayant donc connu plusieurs événements d’intense activité par le passé. L’article présentant ces résultats a été publié dans le journal Astronomy and Astrophysics  (Clavel, M., Terrier, R., Goldwurm, A., Morris, M., Ponti, G., Soldi, S., Trap, G., 2013, A&A, 558, A32, arXiv:1307.3954), et constitue un des Highlights du volume d’octobre 2013.

Sagittarius A* est le trou noir super-massif au centre de notre Galaxie. Il se situe approximativement à 26000 années-lumière du Système Solaire et est l’un des trous noirs les plus faiblement actifs de l’Univers. Néanmoins, nous savons que cet objet a été plus lumineux par le passé, il y a plusieurs dizaines d’années ou plusieurs siècles. Cette activité passée peut être étudiée grâce à la réflexion du rayonnement X qui la compose par les nuages moléculaires denses se trouvant autour de Sagittarius A*. En effet, l’émission met plus de temps à parcourir le trajet du trou noir au nuage puis du nuage jusqu’à nous, qu’à nous parvenir directement depuis le trou noir. Ainsi, l’émission réfléchie arrive sur Terre avec un retard par rapport à l’émission directe (qui met-elle déjà environ 26000 ans à nous parvenir) et elle apparaît donc comme un écho lumineux d’une activité dont l’émission directe a déjà disparu. Si cet écho est mesuré avec beaucoup de précision il peut nous permettre d’étudier le comportement passé du trou noir.

Lorsqu’un rayonnement de haute énergie rencontre le gaz froid d’un nuage moléculaire, une partie du rayonnement est absorbé par le gaz tandis que le reste est diffusé dans toutes  les directions. Une fraction du rayonnement absorbé est réémis sous forme de fluorescence à des énergies spécifiques correspondant à la différence de niveaux d’énergie des électrons dans les atomes impliqués dans le processus d’absorption et de réémission. Une des raies de fluorescence caractéristique et particulièrement intense est la raie correspondant aux deux premiers niveaux d’énergie de l’atome de fer. Elle se situe à 6.4 keV, dans le domaine des rayons X. Cette raie de fluorescence et l’émission continue associée créée par le processus de diffusion, constituent la composante de réflexion liée à l’activité passée du trou noir. Elle a été observée par les grands observatoires X actuellement en opérations, notamment le satellite européen XMM-Newton et l’Observatoire américain Chandra. Elle provient des nuages moléculaires denses et massifs qui sont en rotation autour du centre de la Voie Lactée à des distances qui varient entre quelques dizaines et quelques milliers d’années-lumière. Comme cela avait déjà été observé par cette même équipe de chercheurs en 2010 avec les données des satellites INTEGRAL et XMM-Newton, cette émission varie et se propage avec une vitesse superluminique apparente. Ils avaient notamment montré que les variations observées étaient compatibles avec la réflexion d’une éruption longue environ trois cent ans, du trou noir (cf. http://www2.cnrs.fr/presse/communique/1894.htm).

En utilisant la résolution spatiale exceptionnelle de l’Observatoire Chandra l’équipe d’astrophysiciens s’est intéressée aux nuages brillants qui se situent à l’est de Sagittarius A* (en coordonnées Galactique) et à moins de cent années-lumière en projection. Ceci afin d’explorer plus en avant le détail des variations drastiques de l’intensité de l’émission dans la raie de fluorescence du fer ayant eu lieu durant la dernière décennie. Ils ont trouvé que les variations observées peuvent être décrites par deux comportements différents : soit un pic d’émission de deux ans qui se propage depuis l’ouest vers l’est à l’intérieur d’une structure moléculaire spécifique (appelée le Bridge), soit par une variation linéaire (croissante ou décroissante) pendant les dix dernières années et ce dans toutes les autres structures. En se basant sur la densité des nuages reflétant l’activité passée de Sagittarius A*, les chercheurs ont conclu que ces deux comportements étaient très probablement liés à deux événements passés distincts du trou noir.

 

 

L’animation dessus présente les principaux résultats de la publication. La première image donne une vue statique de la région étudiée intégrant l’émission dans la raie de fluorescence du fer à 6.4 keV entre 1999 et 2011. Les données sont présentées en coordonnées Galactiques. La position du trou noir super-massif Sagittarius A* (croix blanche) ainsi que l’échelle angulaire en années-lumière (ly) sont également indiquées sur cette première image. L’animation montre ensuite que les régions les plus brillantes sont corrélées avec de la matière moléculaire se déplaçant à différentes vitesses. En particulier, trois groupes de nuages sont identifiés dans les images radio d’une raie moléculaire caractéristique : MC1 & MC2, G0.11-0.11 et le Bridge. Le reste de l’animation présente une vue à haute résolution des variations en rayons X ayant lieu dans ces nuages et telles qu’observées par Chandra. Tout d’abord elle montre une vue générale de ces variations par l’intermédiaire de trois images correspondant à trois différentes périodes, également résumée par une image composite où l’émission détectée entre 1999 et 2003 est représentée en rouge, celle détectée entre 2004 et 2007 en vert et celle entre 2008 et 2011 en bleu. Ensuite, l’animation se concentre sur la région du Bridge pour montrer la variation temporelle piquée de deux ans commençant en 2008 et se propageant de droite à gauche à l’intérieur de cette structure. Enfin  l’animation se focalise sur les nuages MC1 et MC2 qui ont connu des variations linéaires entre 1999 et 2011 avec également une propagation très nette de la droite vers la gauche, s’éloignant de Sagittarius A*.

La Figure dessous montre un ensemble de courbes de lumière caractéristiques des différentes variations observées dans les nuages moléculaires localisées dans l’image composite de la région, où l’émission de la raie du fer à 6.4 keV détectée entre 1999 et 2003 est représentée en rouge, celle détectée entre 2004 et 2007 en vert et celle entre 2008 et 2011 en bleu. Les graphiques montrent l’intensité de l’émission continue entre 4 et 8 keV en unités de 10-6 ph cm-2 s-1,  mesurée dans des régions carrées de dimensions linaires de 15 secondes d’arc, dans les nuages moléculaires identifiées par des chiffres dans la figure, à différentes années. Les deux comportements temporels mentionnés ci-dessus sont clairement identifiables dans ces courbes de lumière: les courbes 1 et 2 montrent la variation piquée de deux ans se propageant le long du Bridge alors que les quatre autres courbes montrent les dix années de variations linéaires croissante ou décroissante des autres régions.

 

 

C’est la première fois que des variations si rapides de la composante de réflexion sont détectées dans les nuages moléculaires du centre Galactique, et en particulier qu’un événement de quelques années seulement est rapporté de manière convaincante. Les événements physiques à l’origine de ces deux éruptions passées ne sont pas encore compris mais ces résultats apportent un éclairage nouveau sur le comportement passé du trou noir super-massif Sagittarius A* et indiquent que les présentes et futures observations pourront probablement aboutir bientôt à une reconstruction complète des derniers siècles d’histoire de son activité.

Ces résultats ont été présentés par M. Clavel au Symposium IAU 303  « The Galactic Center: Feeding and Feedback in a Normal Galactic Nucleus », (https://science.nrao.edu/science/meetings/IAU303-GC2013), tenu entre 30/9 – 4/10/2013 à Santa Fe, NM, EU, et seront l’objet d’un annonce sur le site Chandra New en October 2013 (http://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/sagittariusA-black-hole.html) ainsi que dans les Research Highlights du volume 552 d’Octobre 2013 de Nature  (http://www.nature.com/nature/journal/v502/n7471/full/502275a.html).

 

Rédaction : Maïca Clavel, Andrea Goldwurm