Le jet discret d'un quasar : portrait aux rayons X du jet interne
Contexte
Les jets de quasars restent parmi les objets les plus énergétiques de l'Univers, mais le mécanisme de leur émission en rayons X suscite des débats. Pour les nœuds externes brillants du jet de PKS 0637-752, les limites gamma ont pratiquement exclu la diffusion Compton inverse du rayonnement fossile, poussant à chercher une explication synchrotron. La partie interne du jet, de 3,4 à 7 secondes d'arc du noyau, restait sans modèle détaillé, alors que c'est précisément là qu'on peut vérifier si le mécanisme Compton fonctionne dans un flux plus faible et peut-être plus rapide. Ce travail se situe aux côtés des recherches sur les blazars, les sursauts radio rapides et les champs magnétiques dans les amas de galaxies, où la cinématique des jets relativistes est également cruciale.
Méthodes
Les auteurs ont utilisé deux ensembles d'observations d'archives de Chandra : les données de calibration de 1999 (34,1 kilosecondes) et les observations profondes ciblées de 2017 (113,2 kilosecondes). Pour isoler le faible jet interne, ils ont comparé la distribution réelle des photons à des simulations de la fonction d'étalement d'un point, ce qui a permis de soustraire la contribution du noyau brillant. Les données radio proviennent des archives de l'ATCA à quatre fréquences de 4,8 à 20,2 GHz, et les flux millimétriques de l'étude ALMACAL à 100 et 320 GHz. Un modèle semi-analytique d'un cylindre homogène avec des électrons relativistes émettant en synchrotron dans la radio et en Compton dans les rayons X a été construit. Pour chaque angle de vue possible, le champ magnétique a été calculé à partir de la condition d'énergie minimale et du rapport des flux radio et rayons X ; leur égalité a fixé le facteur de Lorentz. L'angle de vue a ensuite été choisi à partir d'une distribution a priori bayésienne tenant compte de l'amplification Doppler.
Résultats
Le jet interne a été détecté en rayons X avec une haute significativité : 348 comptages contre 101 prédits par la diffusion du noyau. Son indice photonique est de 1,92±0,14, et le flux dans la gamme 0,5–7 keV est d'environ 2,5×10⁻¹⁴ erg s⁻¹ cm⁻². Le modèle de diffusion Compton inverse du rayonnement fossile donne trois scénarios selon l'énergie maximale des électrons. Le scénario I (γ_max=2,5×10⁴) décrit bien la radio et les rayons X, mais nécessite une population distincte pour l'émission millimétrique. Le scénario II (γ_max=5×10⁴) reproduit les flux radio, millimétrique et en rayons X, mais dépasse les limites supérieures en rayons gamma de Fermi. Le scénario III (γ_max=5×10⁴) est cohérent avec toutes les données si la diffusion Compton inverse ne contribue qu'à environ 22% du flux en rayons X, le reste étant produit par le rayonnement synchrotron d'une autre population d'électrons. L'angle de vue médian pour les scénarios acceptables est de 4 à 6 degrés, le facteur de Lorentz de 6 à 10, et le champ magnétique de 9 à 15 microgauss.
Implications
Ce travail se distingue des recherches voisines en ce qu'il modélise pour la première fois en détail le faible jet interne, plutôt que les nœuds externes brillants, et combine les données en rayons X avec les données millimétriques pour tester l'homogénéité de la population électronique. Les travaux voisins sur les nœuds brillants ont déjà montré l'insuffisance d'une explication purement Compton ; ici, on montre que dans la partie interne, un mécanisme hybride est possible. Cela renforce l'idée d'une structure complexe des jets, où différentes zones peuvent émettre de manières différentes. La méthode bayésienne de détermination de l'angle de vue tenant compte de la sélection Doppler peut être appliquée à d'autres quasars.
Développements futurs
De futures observations avec une meilleure résolution angulaire en rayons X (par exemple avec la mission proposée Lynx) permettront de séparer les contributions Compton et synchrotron par leur morphologie. Le suivi de la variabilité du flux en rayons X du jet interne aiderait à distinguer une émission Compton lentement variable d'une émission synchrotron rapide. Le développement de modèles avec stratification radiale de la vitesse (cœur et enveloppe) pourrait lever la contradiction entre les facteurs de Lorentz déduits aux échelles parsec et kiloparsec.
Impact
Les résultats influenceront les modèles d'accélération des particules dans les jets relativistes et les estimations de leur puissance cinétique, importantes pour comprendre la rétroaction entre les noyaux actifs de galaxies et le milieu intergalactique.
Prochaines étapes
La prochaine étape consiste à construire un modèle complet à deux zones qui décrive simultanément les composantes Compton et synchrotron de l'émission en rayons X du jet interne, et à le tester sur de nouvelles observations profondes.
Problèmes ouverts clés
Ce travail est directement lié au problème non résolu de l'origine de l'émission en rayons X des jets de quasars à l'échelle kiloparsec : est-elle le résultat de la diffusion Compton du rayonnement fossile ou du rayonnement synchrotron d'une population distincte de particules ? Pour le jet interne de PKS 0637-752, il est montré que les deux mécanismes peuvent coexister, ce qui complexifie le tableau et nécessite une révision des modèles simplifiés.
PKS 0637-752 a été le tout premier objet pointé par le télescope à rayons X Chandra en 1999 pour calibrer la mise au point, et il a immédiatement réservé une surprise avec un jet étendu et brillant.
Chiffres clés
- distance du noyau au jet interne: 3,4–7 secondes d'arc
- facteur de Lorentz du jet: 6–10
- champ magnétique: 9–15 microgauss
- part de l'émission Compton dans les rayons X: environ 22%
- angle de vue: 4–6 degrés