Prototype de systèmes d'étoiles doubles sources de rayons X binaire X et abritant un trou noir, Cygnus X-1 ne cesse d’être depuis sa découverte dans les années 60 l’objet de nombreuses études. En étudiant son comportement à haute énergie, une équipe internationale conduite par Philippe Laurent, astrophysicien au Service d'Astrophysique du CEA-Irfu et laboratoire APC a découvert une propriété étonnante de son émission, un fort degré de polarisation. Cette caractéristique requiert une organisation particulière du milieu émissif et les chercheurs situent cette émission à la base du jet compact radio, près de l’horizon du trou noir. Ces travaux, basés sur les données recueillies par le télescope Integral/Ibis, sont publiés dans la revue Science Express du 24 mars 2011.
Deux composantes, deux origines
Constituée d’une étoile supergéante bleue en orbite (période de 5.6 jours) autour d’un trou noir de dix masses solaires, le système Cygnus X-1 appartient à la classe des binaires X de forte masse. Cygnus X-1 est l’une des sources X les plus brillantes du ciel et se situe dans la constellation du Cygne, une région particulièrement étudiée par le satellite Integral depuis son lancement en 2002. En fait, Cygnus X-1 a été la première source observée par cet observatoire du rayonnement gamma.
Les scientifiques ont ainsi collecté l’ensemble des données et obtenu une distribution en énergie (spectre) entre 20 et 2000 keV. Clairement, deux composantes apparaissent. La première, à basse énergie (entre 20 et 400 keV), est attribuée à la diffusion des photons du disque d’accrétion, formé par la matière de l’étoile compagnon happée par le trou noir, sur un plasma chaud d’électrons, la couronne, qui entoure le trou noir. L’origine de la deuxième composante, à plus haute énergie, était jusqu’alors beaucoup plus énigmatique. Afin d’en percer l’origine, les scientifiques ont étudié l’émission gamma sous un filtre particulier, la polarisation. La polarisation est une propriété de la lumière qui traduit une organisation particulière du milieu émissif, notamment sa géométrie. Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé le télescope Ibis dans une configuration spéciale, le mode Compton, un mode appliqué récemment avec succès à la nébuleuse du Crabe (voir ce sujet pour une description détaillée de ce mode) et aux sursauts gamma. En appliquant cette technique d'analyse, ils ont découvert que l’émission de Cygnus X-1 entre 400 et 2000 keV était fortement polarisée, contrairement à ce qui est observé dans ce mode à plus basse énergie. C’est la première fois qu’une telle propriété est mise en évidence à cette énergie.
Distribution spectrale de Cygnus X-1 (mesures en vert, courbes des deux composantes en rouge et bleu) obtenue à partir l’ensemble des données collectées par le télescope Integral/Ibis, soit au total plus de 5 millions de secondes (équivalent à une pose continue de 58 jours !). A basse énergie (entre 250 et 400 keV, zone grisée de gauche) la modulation du signal, facteur qui décrit la polarisation de la lumière (courbe dans l'insert), est pratiquement plate tandis que celle à haute énergie (en haut à droite, bande d'énergie : 400-2000 keV) montre une nette variation, preuve d’un fort degré de polarisation de cette composante.
Une émission très proche du trou noir
Obtenir un tel effet de polarisation à cette énergie requiert une organisation particulière du champ magnétique, et l’hypothèse d’un jet organisé apparaît comme une explication. Effectivement, Cygnus X-1 possède un jet compact détecté dans le domaine radio. L’énergie des photons détectée implique que l’émission doit se situer près du trou noir, plus exactement de son horizon. Les scientifiques en concluent que le jet lui-même, source de l’organisation responsable de la polarisation détectée, est formé très près du trou noir.
La polarisation à haute énergie s’avère donc être en complément des données radio un outil pour étudier la structure des jets de matière au voisinage du trou noir.
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Publications :
« Polarized gamma-ray emission from the Galactic black hole Cygnus X-1 »
P. Laurent (1), J. Rodriguez (2), J. Wilms(3), M. Cadolle Bel(4), K. Pottschmidt(5,6), V. Grinberg(3)
(1) CEA/IRFU/Service d’Astrophysique et APC, Paris, (2) CEA/IRFU/Service d’Astrophysique et AIM (CEA/CNRS/Université Paris Diderot), (3) Centre for Astroparticle Physics, Bamberg, Germany, (4) ESAC, Madrid, Spain, (5) CRESST and NASA, USA, (6) Center for Space Science & Technology, Baltimore, USA
Publié dans la revue Science Express, 24 mars 2011, télécharger l'article format pdf (420ko)
Voir : le communiqué de l'ESA (en anglais)
Voir également : - " Lunettes gamma polarisantes" , Novembre 2008
Notes :
[1] La polarisation de la lumière est une propriété des ondes électromagnétiques. Dans le cadre de cette théorie, une onde lumineuse se caractérise par trois grandeurs, un champ électrique, un champ magnétique et une direction de propagation. Les champs électriques et magnétiques sont tous deux perpendiculaires à la direction de propagation. La figure que décrit dans l’espace le champ électrique définit l’état de la polarisation de la lumière. Si elle décrit une droite ou une ellipse, on parle respectivement de polarisation rectiligne ou elliptique. Une lumière polarisée correspond donc à une direction privilégiée du champ électrique. La lumière naturelle n’est pas polarisée car somme d’ondes aléatoires qui mélangent pour l'observateur toutes les directions. Certains milieux filtrent la lumière, en ne laissant passer que celle dont le champ électrique est orienté selon une certaine direction. Les lunettes de soleil polarisantes permettent par exemple d’atténuer les réflexions sur un plan d’eau.
[2] Horizon d’un trou noir : L’horizon d’un trou noir est défini comme la frontière au delà de laquelle aucun corps ne peut s’échapper, même la lumière.
Rédaction : Christian Gouiffès
• Structure et évolution de l'Univers › Phénomènes cosmiques de haute énergie et astroparticules
• Le Département d'Astrophysique (DAp) // UMR AIM
