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Il n'y a pas si longtemps, des astronomes ont cartographié une galaxie très, très lointaine à l'aide d'ondes radio et ont découvert qu'elle avait une forme étonnamment familière. Ce faisant, ils ont découvert que l'objet, appelé TXS 0128+554, a connu deux puissantes poussées d'activité au cours du siècle dernier.

Il y a environ cinq ans, le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA a signalé que TXS 0128+554 (TXS 0128 en abrégé) est une faible source de rayons gamma, la forme de lumière la plus énergétique. Depuis, les scientifiques ont examiné la situation de plus près en utilisant le Very Long Baseline Array (VLBA) et l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA.

"Après l'annonce de Fermi, nous avons zoomé un million de fois plus près sur la galaxie en utilisant les antennes radio du VLBA et avons tracé sa forme au fil du temps", a déclaré Matthew Lister, professeur de physique et d'astronomie à l'université Purdue de West Lafayette, Indiana. La première fois que j'ai vu les résultats, j'ai tout de suite pensé que cela ressemblait au vaisseau spatial TIE de Dark Vador dans "Star Wars : Episode IV - Un Nouvel Espoir". C'était une surprise amusante, mais son apparition à différentes fréquences radio nous a également permis d'en apprendre plus sur la façon dont les galaxies actives peuvent changer de façon spectaculaire sur une échelle de temps de dix ans".

Un article décrivant les résultats, dirigé par Lister, a été publié dans le numéro du 25 août de The Astrophysical Journal et est maintenant disponible en ligne.

TXS 0128 se trouve à 500 millions d'années-lumière dans la constellation de Cassiopée, ancrée par un trou noir supermassif d'une masse environ 1 milliard de fois celle du Soleil. Elle est classée comme une galaxie active, ce qui signifie que toutes ses étoiles ensemble ne peuvent pas expliquer la quantité de lumière qu'elle émet.

L'énergie supplémentaire d'une galaxie active comprend l'excès de lumière radio, de rayons X et de rayons gamma. Les scientifiques pensent que cette émission provient des régions proches de son trou noir central, où un disque tourbillonnant de gaz et de poussière s'accumule et se réchauffe sous l'effet des forces gravitationnelles et de frottement.

Environ un dixième des galaxies actives produisent une paire de jets, des faisceaux de particules de haute énergie qui se déplacent dans des directions opposées à la vitesse de la lumière. Les astrophysiciens pensent que ces jets produisent des rayons gamma. Dans certains cas, les collisions avec le gaz intergalactique ténu finissent par ralentir et arrêter le mouvement vers l'extérieur des particules du jet, et la matière commence à refluer vers le centre de la galaxie. Il en résulte de larges régions, ou lobes, remplis de particules en mouvement rapide qui tournent en spirale autour des champs magnétiques. Les interactions entre les particules créent une émission radio brillante.


Cette illustration montre deux vues de la galaxie active TXS 0128+554, située à environ 500 millions d'années-lumière. A gauche : les jets centraux de la galaxie apparaissent comme si nous les avions vus tous les deux sous le même angle. Le trou noir, encastré dans un disque de poussière et de gaz, lance une paire de jets de particules se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière. Les scientifiques pensent que les rayons gamma (magenta) détectés par le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA proviennent de la base de ces jets. Lorsque les jets entrent en collision avec des matériaux entourant la galaxie, ils forment des lobes identiques visibles aux longueurs d'onde radio (orange). Les jets ont connu deux périodes d'activité distinctes, qui ont créé l'espace entre les lobes et le trou noir. C'est vrai : La galaxie apparaît dans son orientation réelle, avec ses jets inclinés d'environ 50 degrés hors de notre ligne de visée.
Crédits : Centre de vol spatial Goddard de la NASA

Fermi a identifié plus de 3 000 galaxies actives grâce à son télescope à grande surface, qui surveille le ciel entier toutes les trois heures. Presque toutes sont alignées de sorte qu'un jet pointe presque directement sur la Terre, ce qui renforce leurs signaux. Le TXS 0128, cependant, est environ 100 000 fois moins puissant que la plupart d'entre elles. En fait, même s'il est relativement proche, Fermi a dû accumuler cinq ans de données en provenance de la galaxie avant de le signaler comme source de rayons gamma en 2015.

Les chercheurs ont ensuite ajouté la galaxie à une étude de longue durée menée par le VLBA, un réseau d'antennes radio exploitées par l'Observatoire national de radioastronomie qui s'étend de Hawaï aux îles Vierges américaines.

Les mesures du réseau fournissent une carte détaillée de TXS 0128 à différentes fréquences radio. La structure radio qu'elles ont révélée s'étend sur 35 années-lumière et s'incline d'environ 50 degrés hors de notre champ de vision. Cet angle signifie que les jets ne sont pas dirigés directement vers nous et peut expliquer pourquoi la galaxie est si faible en rayons gamma.

"L'univers réel est tridimensionnel, mais lorsque nous regardons dans l'espace, nous ne voyons généralement que deux dimensions", a déclaré Daniel Homan, co-auteur et professeur d'astronomie à l'université Denison de Granville, Ohio. "Dans ce cas, nous avons de la chance car la galaxie est inclinée de telle manière, de notre point de vue, que la lumière du lobe le plus éloigné voyage des dizaines d'années-lumière de plus pour nous atteindre que la lumière du lobe le plus proche. Cela signifie que nous voyons le lobe le plus éloigné à un stade plus précoce de son évolution".

Si la galaxie était alignée de manière à ce que les jets et les lobes soient perpendiculaires à notre ligne de visée, toute la lumière atteindrait la Terre en même temps. Nous verrions les deux côtés au même stade de développement, ce qu'ils sont en réalité.

La forme apparente de la galaxie dépend de la fréquence radio utilisée. À 2,3 gigahertz (GHz), soit environ 21 fois plus que la fréquence de diffusion maximale de la radio FM, elle ressemble à une goutte amorphe. La forme du chasseur TIE émerge à 6,6 GHz. Puis, à 15,4 GHz, un espace clair dans l'émission radio apparaît entre le noyau de la galaxie et ses lobes.

L'équipe de Lister soupçonne qu'une accalmie dans l'activité du TXS 0128 a créé cet espace. Les jets de la galaxie semblent avoir commencé il y a environ 90 ans, comme observé depuis la Terre, puis se sont arrêtés environ 50 ans plus tard, laissant derrière eux les lobes non connectés. Puis, il y a une dizaine d'années, les jets se sont remis en marche, produisant l'émission observée plus près du noyau. La cause de l'apparition soudaine de ces périodes d'activité reste obscure.


Un GIF d'images radio de la galaxie active TXS 0128+554
Cette animation montre le changement d'apparence de la galaxie active TXS 0128 à six longueurs d'onde radio mesurées par le Very Long Baseline Array : 2,3, 5, 6,6, 8,4, 15,4 et 22,2 gigahertz (GHz).
Crédits : Centre de vol spatial Goddard de la NRAO/NASA

L'émission radio éclaire également l'emplacement du signal gamma de la galaxie. De nombreux théoriciens ont prédit que les jeunes galaxies actives radio-brillant produisent des rayons gamma lorsque leurs jets entrent en collision avec du gaz intergalactique. Mais dans le cas du TXS 0128, au moins, les particules dans les lobes ne produisent pas assez d'énergie combinée pour générer les rayons gamma détectés. L'équipe de Lister pense plutôt que les jets de la galaxie produisent des rayons gamma plus près du noyau, comme la majorité des galaxies actives que Fermi voit.

L'équipe a observé la galaxie aux rayons X en utilisant Chandra, à la recherche de preuves d'un cocon enveloppant de gaz ionisé. Bien que leurs mesures n'aient pas pu confirmer la présence ou l'absence d'un cocon, il y a eu des preuves de telles structures dans d'autres galaxies actives, comme Cygnus A. Les observations indiquent que la galaxie a une grande quantité de poussière et de gaz autour de son noyau, ce qui est cohérent avec un angle de vue très incliné.

"Cette galaxie nous rappelle l'importance des observations multi-longueurs d'onde, en regardant des objets sur une large gamme du spectre électromagnétique", a déclaré Elizabeth Hays, la scientifique du projet Fermi au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Fermi, le VLBA et Chandra ajoutent chacun une couche à notre image grandissante de cet objet, révélant leurs propres surprises."

Le télescope spatial à rayons gamma Fermi est un partenariat d'astrophysique et de physique des particules géré par le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland. Fermi a été développé en collaboration avec le ministère américain de l'énergie, avec d'importantes contributions d'institutions universitaires et de partenaires en France, en Allemagne, en Italie, au Japon, en Suède et aux États-Unis.

Le Marshall Space Flight Center de la NASA gère le programme Chandra. Le centre de radiographie Chandra de l'Observatoire d'astrophysique du Smithsonian contrôle la science et les opérations de vol depuis Cambridge et Burlington, Massachusetts.