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Jet (astrophysique)

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Unjet astrophysique(ci-après « jet ») est un phénomène très souvent observé enastronomie,lorsque des nuages de matière se forment le long de l’axe de rotationd’unobjet compact.Alors que les jets sont toujours le sujet de recherches en cours pour comprendre leur formation et leur fonctionnement, les deux hypothèses les plus probables de leur origine sont les interactions dynamiques à l’intérieur d’undisque d'accrétion,ou un procédé en lien avec un objet central très dense (tel qu’untrou noirou uneétoile à neutrons). Lorsque la matière est éjectée à une vitesse proche de lavitesse de la lumière,ces objets sont appelés « jets relativistes », à cause des effets importants de larelativité restreinte.Les plus grands jets sont ceux qui proviennent des trous noirs dans lesgalaxies activestelles que lesquasarsou lesradiogalaxies.D'autres systèmes peuvent également abriter des jets tels que lesétoiles variables cataclysmiques,lesbinaires Xet lesétoiles variables de type T Tauri.Lesobjets de Herbig-Harosont générés par les interactions des jets dans lemilieu interstellaire.Lesjets bipolairesou jets peuvent aussi être liés auxproto-étoiles(jeunesétoiles en formation)[1],ou aux étoiles évoluées appeléesprotonébuleuses planétaires(souvent sous la forme denébuleuses bipolaires).

Beaucoup d’objets stellaires qui ont des disques d’accrétion possèdent des jets, mais ceux qui proviennent detrous noirs supermassifssont en règle générale les plus rapides et les plus actifs. Alors qu'on ignore encore comment les disques d’accrétion accélèrent les jets ou produisent du plasma électron-positron, on pense qu’ils génèrent deschamps magnétiquesemmêlés qui accélèrent et concentrent les jets. L’hydrodynamiquede laTuyère de Lavaldonne un indice sur les mécanismes concernés.

Jets relativistes

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Lesjets relativistessont des jets[2]très puissants deplasmaqui atteignent des vitesses proches de la vitesse de la lumière et qui sont émis par les trous noirs centraux de quelquesgalaxies actives(en particulier lesradiogalaxieset lesquasars), lestrous noirs stellaires,et lesétoiles à neutrons.Leur longueur peut atteindre plusieurs milliers[3]et même plusieurs centaines de milliers d’années-lumière, le record étant de près d'1,5 million d’années-lumière[4].Si la vitesse du jet est proche de la vitesse de la lumière, les effets de la relativité restreinte spécifique sont considérables; par exemple, lerayonnement relativiste(en)changera la luminosité apparente du rayon (voir les jets « unilatéraux » ci-dessous). Les mécaniques à l’origine de ces deux créations de jets[5],[6]et de la composition des jets[7]sont toujours sujets à de nombreux débats au sein de la communauté scientifique. La composition d’un jet peut varier, certaines études favorisent un schéma dans lequel les jets seraient composés d’un mélange électriquement neutre denoyaux,d’électrons,et depositrons,alors que d’autres seraient uniformément constitués de plasma électron-positron[8],[9].

Messier 87émettant un jet relativiste, observé par le télescopeHubble.

Les trous noirs massifs au centre des galaxies possèdent les jets les plus puissants. Des jets similaires bien plus petits se développent à partir d’étoiles à neutronset detrous noirs stellaires.Ces systèmes sont souvent appelésmicroquasars.Prenons l’exemple du systèmeSS 433,dont le jet a été observé atteignant une vitesse de 0,23c,bien que d’autres microquasars atteignent des vitesses de jet bien plus grandes (mais pas encore mesurées). Des jets plus faibles et moins relativistes peuvent être liés à beaucoup de systèmes binaires, le mécanisme d’accélération de ces jets peut être similaire au procédé dereconnexion magnétiqueobservé dans lamagnétosphèrede la Terre ainsi que dans levent solaire.

L’hypothèse principale qui existe en astrophysique est que la formation des jets relativistes est la clé qui permet d’expliquer la production desursauts de rayons gamma(ou SRG). Ces jets ont unfacteur de Lorentzde ~100 ou plus (c’est-à-dire, une vitesse de plus de 0,99995cenviron), ce qui fait d’eux les objets célestes les plus rapides connus à ce jour.

Composition des jets

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L’une des meilleures approches pour observer les mécanismes qui produisent les jets est de déterminer la composition d’un jet sur un rayon directement observable. La plupart des observations et des analyses montrent que les jets sont composés principalement de plasma électron-positron[10],[11],[12].

La trace de noyaux balayés dans un jet relativiste d’électrons-positrondevrait dégager beaucoup d’énergie, puisque ces noyaux plus lourds atteignent une vitesse égale à la vitesse des positrons et des électrons.

La production de rayons d’électrons-positrons de5MeVen laboratoire permet d’étudier des aspects tels que l’effet de choc des SRG et la manière dont les différentes particules interagissent avec et à l’intérieur des rayons relativistes d’électrons-positrons (par exemple, comment les rayons d’électrons-positrons se rejoignent)[13].

La rotation en tant que source d’énergie possible

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À cause de l’énorme quantité d’énergie nécessaire à la propulsion d’un jet relativiste, on pense que certains jets sont propulsés par la force de rotation destrous noirs.Il existe deux théories très connues sur la manière dont l’énergie est transférée du trou noir au jet.

  • Mécanisme de Blandford–Znajek(en)[14].Il s’agit de la théorie la plus populaire pour l’extraction d’énergie d’un trou noir central. Leschamps magnétiquesautour d’undisque d’accrétionsont entrainés par la rotation du trou noir. La matière relativiste serait propulsée par le resserrement des lignes du champ.
  • Leprocessus de Penrose[15].Il s’agit d’extraire de l’énergie d’un trou noir par le biais de l’effet Lense-Thirring.Cette théorie s’est avérée par la suite capable d’extraire de l’énergie relativiste des particules ainsi que son dynamisme[16],et par conséquent s’est montrée possible pour la formation des jets[17].

Jets relativistes d’étoiles à neutrons

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Le pulsarIGR J11014-6103(en)dont l’origine réside dans les vestiges d’une supernova, d’une nébuleuse et d’un jet.

Les jets peuvent aussi être observés à partir d’étoiles à neutronstel que lepulsarIGR J11014-6103(en),qui produit le plus grand jet observé dans notre Galaxie, laVoie lactée.Ce jet peut être observé aux rayons X et n’a pas de signature radio[18].Le jet d’IGR J11014-6103(en)a une vitesse estimée à 0,8 c. Il n’est pas inscrit dans la dernière liste des AMXP (Pulsars observés aux rayons X)[19]et aucun accroissement de matière n’a été observé[20],[21],[22],[23].On pensait que cette étoile tournait rapidement, mais des mesures effectuées après cette supposition ont montré que sa vitesse de rotation n’est que de 15,9Hz[24],[25].Cette vitesse de rotation plutôt lente ainsi que le manque d’accrétion de matière suggèrent que ce jet d’électrons-positron de 0,8 c n’est pas alimenté par la rotation, ni par l’accrétion. Sur l’illustration, le jet aligné sur l’axe de rotation du pulsar, est perpendiculaire à la trajectoire du pulsar et s’étend à plus de 37 années-lumière (dix fois la distance allant de notre soleil à l’étoile la plus proche de celui-ci). Curieusement, de grands nuages deplasmad’électrons-positron sont parfois observés à proximité d’étoiles à neutrons ordinaires qui ne possèdent pas de jets[12].

Alors qu’IGR J11014-6103 ne possède pas de disque d’accrétion ni d’horizon,son jet de 0,8 c ne peut être alimenté par des processus développés dans la rubrique précédente.

Autres illustrations

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  • Centaurus Aobservée aux rayons X révélant son jet relativiste.
  • Le jet de M87 observé par le radiotélescopeKarl G. Jansky Very Large Arrayparonde radio(le champ de vision est plus grand et tourné par rapport à l’image précédente)
  • Image d’archive deHubbledu jet relativiste de3C 66B(en)dans le procheUV
  • Dans la Galaxie NGC 3862, un jet extragalactique de matière projeté à une vitesse proche de la vitesse de la lumière peut être observé dans un angle particulier[26].

Références

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  1. ↑(en)«Star sheds via reverse whirlpool», Astronomy.com,(consulté le)
  2. ↑(en)Wehrle, A.E., Zacharias, N., Johnston, K.et al.,«What is the structure of Relativistic Jets in AGN on Scales of Light Days?»,Astro2010: the Astronomy and Astrophysics Decadal Survey,vol.2010,‎,p.310(Bibcode2009astro2010S.310W,lire en ligne)
  3. ↑(en)J.Biretta,«Hubble Detects Faster-Than-Light Motion in Galaxy M87»,
  4. ↑(en)«Evidence for Ultra-Energetic Particles in Jet from Black Hole»[archive du],Yale University – Office of Public Affairs,
  5. ↑(en)David LMeier,«The theory and simulation of relativistic jet formation: Towards a unified model for micro- and macroquasars»,New Astronomy Reviews,vol.47,nos6–7,‎,p.667(DOI10.1016/S1387-6473(03)00120-9,Bibcode2003NewAR..47..667M,arXivastro-ph/0312048)
  6. ↑(en)V.Semenov,SergeyDyadechkinet BrianPunsly,«Simulations of Jets Driven by Black Hole Rotation»,Science,vol.305,no5686,‎,p.978–980(PMID15310894,DOI10.1126/science.1100638,Bibcode2004Sci...305..978S,arXivastro-ph/0408371)
  7. ↑(en)MarkosGeorganopoulos,DemosthenesKazanas,EricPerlmanet Floyd W.Stecker,«Bulk Comptonization of the Cosmic Microwave Background by Extragalactic Jets as a Probe of Their Matter Content»,The Astrophysical Journal,vol.625,no2,‎,p.656(DOI10.1086/429558,Bibcode2005ApJ...625..656G,arXivastro-ph/0502201)
  8. ↑(en)J.F.CWardle,«Electron–positron jets associated with the quasar 3C279»,Nature,vol.395,no1 October 1998,‎,p.457–461(DOI10.1038/26675,Bibcode1998Natur.395..457W)
  9. ↑(en)«NASA – Vast Cloud of Antimatter Traced to Binary Stars»
  10. ↑Electron-positron Jets Associated with Quasar 3C 279
  11. ↑http://iopscience.iop.org/article/10.1086/317769/metaPair Plasma Dominance in the Relativistic Jet of 3C345
  12. ↑aetbhttps://www.youtube.com/watch?v=Sw-og52UUVgScience With Integral, Sep 2008 (start four minutes into video, note Sagittarius produces 15 billion tons/sec of positron-electron matter)
  13. ↑Lab production of5MeVpositron-electron beams
  14. ↑(en)R. D.Blandfordet R. L.Znajek,«Electromagnetic extraction of energy from Kerr black holes»,Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,vol.179,no3,‎,p.433(DOI10.1093/mnras/179.3.433,Bibcode1977MNRAS.179..433B)
  15. ↑(en)Penrose, «Gravitational Collapse: The Role of General Relativity»,Rivista del Nuovo Cimento,vol.1,‎,p.252–276(Bibcode1969NCimR...1..252P)Reprinted in:R.Penrose,"Golden Oldie": Gravitational Collapse: The Role of General Relativity,vol.34,,1141p.(DOI10.1023/A:1016578408204,Bibcode2002GReGr..34.1141P),chap.7
  16. ↑R.K. Williams, «Extracting x rays, Ύ rays, and relativistic e−e+pairs from supermassive Kerr black holes using the Penrose mechanism»,Physical Review,vol.51,no10,‎,p.5387–5427(PMID10018300,DOI10.1103/PhysRevD.51.5387,Bibcode1995PhRvD..51.5387W)
  17. ↑(en)Reva KayWilliams,«Collimated Escaping Vortical Polar e−e+Jets Intrinsically Produced by Rotating Black Holes and Penrose Processes»,The Astrophysical Journal,vol.611,no2,‎,p.952(DOI10.1086/422304,Bibcode2004ApJ...611..952W,arXivastro-ph/0404135)
  18. ↑(en)«Runaway pulsar has astronomers scratching their heads»
  19. ↑(en)A. Patruno et A. L. Watts, «Accreting Millisecond X-Ray Pulsars»,.
  20. ↑(en)«Fastest Pulsar Moving With Tremendous Speed Of 6 Million Miles Per Hour – Found – MessageToEagle.com»
  21. ↑(en)«Chandra:: Photo Album:: IGR J11014-6103:: June 28, 2012»
  22. ↑(en)L. Pavan, G. Pühlhofer, P. Bordas, M. Audard, M. Balboet al.,«A closer view of the IGR J11014-6103 outflows»,.
  23. ↑(en)«Neutron star jet: An exploded star creates a truly bizarre scene.»,Slate Magazine
  24. ↑(en)L.Pavan,P.Bordas,G.Pühlhofer,M. D.Filipović,A.De Horta,A.o' Brien,M.Balbo,R.Walter,E.Bozzo,C.Ferrigno,E.Crawfordet L.Stella,«The long helical jet of the Lighthouse nebula, IGR J11014-6103»,Astronomy & Astrophysics,vol.562,‎,A122(DOI10.1051/0004-6361/201322588,Bibcode2014A&A...562A.122P,arXiv1309.6792,lire en ligne)Long helical jet of Lighthouse nebula page 7
  25. ↑(en)J. P.Halpern,J. A.Tomsick,E. V.Gotthelf,F.Camilo,C. -Y.Ng,A.Bodaghee,J.Rodriguez,S.Chatyet F.Rahoui,«Discovery of X-ray Pulsations from the INTEGRAL Source IGR J11014-6103»,The Astrophysical Journal,vol.795,no2,‎,p.L27(DOI10.1088/2041-8205/795/2/L27,Bibcode2014ApJ...795L..27H,arXiv1410.2332)
  26. ↑(en)«Hubble Video Shows Shock Collision Inside Black Hole Jet»,

Voir aussi

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Articles connexes

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