Une synthèse des connaissances sur le cœur mystérieux de la Voie lactée
Une vaste synthèse publiée dans la revue Reviews of Modern Physics dresse un état des lieux inédit de nos connaissances de la partie centrale de la Voie lactée. Coordonné par plusieurs spécialistes internationaux, dont des chercheurs de l’APC (CNRS / Université Paris Cité), de l’Irfu (CEA) et de l’IPAG (CNRS, Université Grenoble Alpes), cet article rassemble plus de quinze ans d’observations en rayons X et gamma. Il met en perspective les grandes énigmes qui caractérisent le trou noir central Sagittarius A* et l’environnement extrême qui l’entoure.
Au cœur de notre galaxie, à un peu plus de 26000 années lumières de la Terre, trône un trou noir super massif d’environ 4 millions de masses solaires, niché dans une région si dense qu’il est difficile de le distinguer. L’étude de ce monstre et de son environnement repose donc principalement sur l’étude des rayonnements qui parviennent à s’extirper de cet abîme et pour arriver jusqu’à nous. Pour cela il est nécessaire d’utiliser les photons de haute énergie, soit les rayons X et gamma, ainsi que les rayons cosmiques qui les produisent. En synthétisant les résultats issus de près de trois décennies d’observations de ces rayonnements de l’extrême par les satellites de détection de rayons X et gamma (dont les européens XMM-Newton et INTEGRAL) ou encore le télescope gamma au sol H.E.S.S., un collectif de scientifiques, piloté par des chercheurs de l’APC et avec le soutien du CNES, a pu produire le panorama le plus à jour et le plus complet de l’émission de haute énergie de cette énigmatique région.
La revue, publiée dans Reviews of Modern Physics, propose une cartographie complète de cette région et de différents processus mis en jeu dans cette région, fruit d’un travail collectif de deux ans et demi. « Il ne s’agit pas d’annoncer un résultat révolutionnaire, mais de compiler et mettre en cohérence une immense quantité d’observations accumulées depuis les années 1990 », explique Andrea Goldwurm, chercheur au CEA-Irfu et membre de l’APC. « Nous avons voulu donner une image globale et structurée de l’activité de haute énergie du centre galactique. »
Comportements du trou noir supermassif, interactions des rayonnements avec les nuages moléculaires, expulsion de matière vers les pôles de la galaxie (voir encadré)… devant le nombre et la variété des énigmes que pose le cœur de notre galaxie, deux ans et demi de travail d’experts de différentes disciplines n’ont pas été de trop pour parvenir à une synthèse capable de proposer une vision d’ensemble. « L’objectif était de rassembler les résultats de nombreuses équipes et de les mettre en perspective pour offrir une vision globale du centre galactique », explique Régis Terrier, chercheur à l’APC. « C’est un travail essentiel pour éviter de se focaliser sur une seule longueur d’onde et pour comprendre comment tous ces phénomènes s’articulent ».
Les chercheurs espèrent que cette synthèse deviendra une référence pour les études futures. Quant à la résolution des nombreuses énigmes que nous soumet quotidiennement le centre de la Voie lactée, l’optimisme est de rigueur : une nouvelle génération d’instruments, dont CTAO pour les rayons gamma et l’observatoire de l’ESA NewAthena pour les rayons X, donneront aux scientifiques au cours des prochaines années une image toujours plus précise et complète des phénomènes à l’œuvre dans notre voisinage galactique.
Le centre de la Voie Lactée : une boîte noire de l’astrophysique ?
Zoom sur quelques grands mystères du centre de la galaxie abordés dans la revue :
Un trou noir étonnamment discret
Au centre de notre galaxie, Sagittarius A* (Sgr A*), un trou noir supermassif d’environ quatre millions de masses solaires, intrigue les astrophysiciens depuis des décennies. Contrairement à ses homologues situés dans d’autres galaxies, Sgr A* affiche une activité exceptionnellement faible. « On s’attendait à observer une émission intense en rayons X et gamma, comme pour les trous noirs actifs des noyaux galactiques, mais Sgr A* reste étrangement silencieux », explique Andrea Goldwurm.
Les observations menées depuis les années 2000, notamment avec le satellite XMM, ont certes révélé des éruptions quotidiennes de rayons X qui augmentent brièvement l’émission d’un facteur 100. Mais pourtant, « ces éruptions, bien qu’importantes, ne correspondent pas à ce qu’on imagine pour un trou noir supermassif. Et leur cause reste un mystère », précise Andrea Goldwurm. Aucun doute sur la source des éruptions : grâce à des observations en infrarouge avec le Very Large Telescope (VLT), les chercheurs ont confirmé qu’elles proviennent bien de Sgr A* — mais leur mécanisme exact reste à élucider.
Un passé tumultueux révélé par des échos lumineux
Au début des années 2010, les chercheurs observent dans les nuages moléculaires entourant Sgr A* des émissions X particulières, notamment une raie caractéristique du fer neutre d’intensité et morphologie variables. Ces signaux ne correspondent pas à un gaz chaud intrinsèque : ils s’interprètent comme des rayonnements X réfléchis — des « échos lumineux » d’une activité passée. Les scientifiques ont tôt fait de comprendre que dans cette région, qui concentre les nuages les plus denses de la Galaxie sur environ 200 parsecs, les photons X arrachent des électrons aux atomes de fer. Lorsque ceux-ci se recombinent, ils émettent une fluorescence X, dont l’intensité décroît lentement au fil des années.
Le consensus actuel suggère que ce rayonnement X réfléchi par les nuages moléculaires soit la relique d’un sursaut majeur du trou noir central qui se serait produit il y a quelques centaines d’années, entre 100 et 1000 ans, et dont la luminosité serait jusqu’à 10000 fois supérieure à celle des éruptions actuelles du trou noir.
Alors que la nature et la cause de ce sursaut font toujours mystère, le centre galactique devient un terrain d’« archéologie astrophysique », où l’histoire énergétique de la région est reconstruite à partir de ces échos lumineux.
Des rayons gamma de très haute énergie aux origines inexpliquées
La région centrale émet également des rayons gamma de très haute énergie, détectés par le satellite Fermi et par les télescopes au sol comme H.E.S.S. . Ces photons témoignent de l’accélération de particules à des énergies extrêmes dans la région, mais la source exacte de cette émission reste incertaine. Elle semble provenir des quelques parsecs centraux, mais la résolution angulaire actuelle ne permet pas d’identifier formellement le mécanisme en jeu. Des campagnes ont cherché une corrélation entre les éruptions X de Sagittarius A* et les sursauts gamma — sans succès jusqu’à présent.
« Il est possible que les rayons gamma soient produits par un phénomène distinct de celui responsable des éruptions X », note Régis Terrier. Le futur observatoire Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), auquel participent fortement les équipes françaises, offrira une sensibilité et une résolution accrues susceptibles de lever certaines ambiguïtés.
Des flux de matière et des émissions gamma inexpliqués
Autre énigme irrésolue : celle de ces flux de plasma chaud, qui s’échappent du centre de la Voie lactée vers ses pôles, sur des distances de l’ordre de 150 parsecs. L’origine de ces cheminées ou « outflows », qui injectent de la matière et de l’énergie dans le halo galactique, reste débattue.
Activité passée du trou noir ? Vents d’étoiles massives ? Explosions de supernovæ ? Quoiqu’il en soit, les signatures observées indiquent une région extrêmement dynamique.
Un déficit surprenant de rayons cosmiques
Malgré la concentration exceptionnelle d’étoiles massives et de supernovæ dans la région centrale, l’excès de rayons cosmiques y apparaît modéré. Comparé au spectre mesuré près de la Terre, le centre galactique n’est pas aussi surabondant qu’on pourrait l’attendre.
Cette relative rareté suggère que les particules accélérées sont rapidement évacuées — peut-être via les flux de matière s’échappant vers les pôles de la galaxie. Le lien entre accélération locale et transport à grande échelle constitue d’ailleurs l’un des fils conducteurs de la revue.