Les jets relativistes sont des écoulements étroits et très rapides de plasma et de champs magnétiques, émis depuis le voisinage des trous noirs ou des étoiles à neutrons, se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière. Dans les noyaux actifs de galaxies, ils sont alimentés par l'accrétion sur des trous noirs supermassifs et peuvent s'étendre sur des millions d'années-lumière, bien au-delà de leur galaxie hôte. Ces jets comptent parmi les phénomènes les plus énergétiques de l'univers, émettant un rayonnement sur l'ensemble du spectre électromagnétique et produisant parfois des neutrinos et des rayons cosmiques.
Histoire
Le concept de jets dans les galaxies actives a été établi dans les années 1970 grâce aux observations radio, mais leur nature relativiste a été confirmée dans les années 1980 avec l'interférométrie à très longue base (VLBI) montrant un mouvement superluminique apparent. Le cadre théorique du lancement magnétique a été développé par Roger Blandford et Roman Znajek en 1977.
Comment ça marche
Le jet est lancé par la torsion des lignes de champ magnétique ancrées dans le disque d'accrétion en rotation ou dans l'ergosphère du trou noir. À mesure que la matière tombe vers l'intérieur, le champ magnétique extrait l'énergie rotationnelle et accélère le plasma vers l'extérieur le long de l'axe de rotation du trou noir. L'émission du jet est produite par le rayonnement synchrotron des électrons relativistes en spirale dans le champ magnétique, et par la diffusion Compton inverse de photons de basse énergie vers de hautes énergies. Lorsque le jet est pointé vers la Terre, il apparaît comme un blazar, avec son émission amplifiée par l'effet Doppler relativiste.
En pratique
Les jets relativistes sont étudiés pour comprendre la rotation des trous noirs et la physique de l'accrétion, et ils servent d'accélérateurs de particules naturels, certains des rayons cosmiques et neutrinos de plus haute énergie leur étant attribués.
Anecdote
Le jet de la galaxie M87, imagé par le télescope Event Horizon, semble osciller, fournissant une preuve directe de l'influence de la rotation du trou noir sur la direction du jet.
Universal constant of gravitation, determining the strength of gravitational force. — constante gravitationnelle= 6.67430e-11cubic metre per kilogram per second squared
Une balançoire qui se balance sur une colline à dents se comporte étrangement : sans impulsions, elle reste coincée dans le premier creux, mais avec des coups rythmiques, elle peut monter, descendre ou s'immobiliser.
Dans un canal annulaire entre deux anneaux dentés, des microsphères sont en suspension : les unes ont un rayon de 8 micromètres, les autres de 14. On allume la décharge et les particules se mettent en mouvement. Les petites vont dans un sens, les grandes dans l'autre.
Une particule d'énergie $$10^{18}$$ eV frappe l'atmosphère terrestre, c'est comme si une balle de tennis lancée à 200 km/h heurtait un mur. D'où viennent de tels projectiles, les astrophysiciens en débattent depuis des décennies.
Un tourbillon avale l'eau, mais en projette la majeure partie autour de lui. C'est à peu près ce que fait un trou noir lorsqu'il reçoit trop de matière.
Le vent le plus rapide de l'Univers file à 0,58 fois la vitesse de la lumière. Il parcourt la distance Terre-Lune en deux secondes. Ce vent n'est pas un jet, mais un large flux de gaz jaillissant du centre de la galaxie.
Soixante-douze disques d'accrétion — des cocons tourbillonnants de gaz et de poussière cosmique — ont été scrutés par l'instrument MIRI à bord du James Webb. La plupart d'entre eux libèrent des flux dans l'espace : des structures coniques denses et de fines gerbes à grande vitesse.
Au centre d'une galaxie lointaine, où tourne un trou noir supermassif d'une masse de cent millions de soleils, l'espace est parcouru de champs magnétiques.
L'effondrement du cœur d'une étoile ressemble à la compression d'un ressort : la matière tombe vers l'intérieur, et une étoile à neutrons naît au centre. Mais la chute n'est jamais parfaitement régulière.
Une branche tombe dans un tourbillon. Elle est emportée et brisée, mais parfois un puissant jet d'eau jaillit du centre. C'est à peu près ainsi qu'un trou noir déchire une étoile qui passe à proximité, et parfois, après cela, un jet de plasma éblouissant jaillit dans l'espace — le jet.
Il y a dix milliards d’années, l’Univers était parsemé d’étranges étincelles écarlates. Le télescope James Webb les a repérées sur les images de lointains décalages vers le rouge — des sources compactes brillant comme des galaxies entières, mais à peine plus grandes qu’une région minuscule en leur centre.
En avril 2021, les antennes du EHT (Event Horizon Telescope) — un réseau mondial de radiotélescopes millimétriques — ont pointé vers un point minuscule dans la constellation de la Vierge.
Le cosmos est plein de cris que nous n'entendons pas. Chaque fois qu'un trou noir déchire une étoile, une éruption éblouissante naît, et souvent – un jet relativiste étroit qui fuse sur des milliers d'années-lumière.
Au cœur de la galaxie 1ES 1927+654, le silence régnait depuis des années : le gaz en accrétion ne faisait que murmurer en rayons X, s'écoulant en vents lents. Mais entre 2022 et 2025, le tableau a radicalement changé.
Dans la constellation de l'Aigle, à environ 40 000 années-lumière de nous, fonctionne l'un des accélérateurs naturels les plus puissants de la Galaxie. Il s'agit du microquasar GRS 1915+105, une paire composée d'une étoile ordinaire et d'un trou noir.
Il y a près de quinze ans, le télescope à rayons gamma Fermi détectait de mystérieuses « bulles » – d'immenses nuages de plasma, comme gonflés par des poumons invisibles, s'élevant à des dizaines de milliers d'années-lumière du centre de la Galaxie.
Les blazars sont de longs faisceaux émis par les trous noirs au centre des galaxies. Les sursauts gamma sont de très brèves éruptions lors de l'explosion d'une supernova ou de la fusion d'étoiles à neutrons.
Imaginez un danseur à trois visages sur la crête d'une onde lumineuse. Un visage est celui d'un attrapeur, qui absorbe les photons incidents. Le deuxième est un miroir parfait, qui renvoie la lumière. Le troisième est un verre dépoli, qui diffuse les rayons dans toutes les directions. Tant que la vitesse est faible, la danse est harmonieuse.
Un aspirateur puissant aspire non seulement la poussière, mais aussi son propre sac à poussière. C'est à peu près ce que fait un trou noir au centre d'un « point rouge » — une galaxie lointaine où la lueur ne provient pas du trou lui-même, mais de son épaisse couche de gaz. Cette couche est si épaisse qu'elle ressemble à une étoile froide gonflée.
Une étoile massive s'effondre et naît un trou noir entouré d'un disque de plasma surchauffé. Pour que des jets étroits s'échappent de ce disque, il faut un champ magnétique ordonné. Mais à l'intérieur de l'étoile, il est enchevêtré.
Au centre de nombreuses galaxies se trouve un trou noir supermassif. Lorsque du gaz tombe dessus, il s'échauffe et brille plus intensément qu'une galaxie entière — c'est un noyau actif. Parfois, un véritable ouragan s'en échappe : un flux de gaz ionisé qui file à des vitesses de plusieurs dizaines de pour cent de la vitesse de la lumière.
Une étoile naissante ressemble à un batteur de cuisine : elle fouette le nuage environnant et des éclaboussures volent dans toutes les directions. Sauf qu'au lieu de pâte, ce sont du gaz et de la poussière. Auparavant, les astronomes ne voyaient que des jets de gaz, et la poussière était jugée trop fragile : l'onde de choc devrait briser les grains en atomes.
Près des trous noirs et des étoiles à neutrons, le plasma bouillonne comme l'eau dans une bouilloire. Mais dans cette « bouilloire », il n'y a pas de parois — seulement des champs magnétiques qui se tordent et se déchirent.
Un jet d'eau sortant d'un tuyau d'arrosage et frappant un mur s'étale sur les côtés. De la même manière se comportent les jets astrophysiques — d'étroits flux de plasma éjectés des environs des trous noirs ou des jeunes étoiles.
Lorsque deux noyaux de plomb entrent en collision à une vitesse énorme, un nuage de matière incandescente naît un instant — plus dense et plus chaud que le centre du Soleil. À travers ce nuage filent des jets de particules : des faisceaux étroits comme des rayons laser, arrachés par l'impact.
Un tuyau d'arrosage projette un puissant jet d'eau. Si on le pince légèrement ou qu'on le secoue, le jet commence à onduler comme un serpent et des gouttes volent de tous côtés. Quelque chose de similaire se produit avec les jets de plasma géants éjectés par les trous noirs.
L'eau dans un entonnoir ne descend pas entièrement : une partie jaillit vers le haut en fines giclées. Le gaz près d'un trou noir se comporte de la même manière. Il tombe, s'échauffe, entre en collision avec lui-même — et une partie est éjectée dans l'espace en deux jets étroits qui partent dans des directions opposées.
Depuis le centre des galaxies, là où se cache un trou noir, jaillissent dans les deux directions d'étroits jets de gaz surchauffé : les jets. Ils brillent sur des distances énormes, parfois plus longues que la galaxie elle-même.
Lorsque deux protons entrent en collision à une vitesse énorme, un faisceau étroit de particules jaillit du point d'impact — un jet, semblable aux éclaboussures d'une pierre jetée dans l'eau. Dans les collisions de noyaux lourds de plomb, tout est plus complexe : un nuage chaud se forme à l'intérieur, qui gêne la trajectoire du jet.
Les trous noirs sont des éviers cosmiques, des entonnoirs gravitationnels qui aspirent la matière environnante. Ce processus, appelé accrétion, ne se déroule pas toujours sans heurts : une partie du gaz qui tombe peut être éjectée sous forme de jets relativistes étroits — les jets.
Une jeune étoile, qui n'a pas encore allumé sa fournaise thermonucléaire, est entourée d'un disque en rotation de gaz et de poussière. Pour gagner de la masse, elle doit se débarrasser de l'excès de rotation, sinon la matière ne tombera pas sur l'étoile mais continuera à tourner sur son orbite.
En 2008, une nuit, quelque chose a brusquement flamboyé en rayons X au cœur de la lointaine galaxie J1047+5907. C'est parfois ce qui se passe autour d'un trou noir supermassif : un nuage de gaz surchauffé au-dessus de lui émet soudain un puissant flux de lumière. Le trou noir lui-même n'émet rien, mais son environnement peut s'illuminer comme une enseigne au néon.
Sur le Soleil, de minces jets de plasma s'élèvent sans cesse — ce sont les jets coronaux. Ils ressemblent à des fontaines de gaz surchauffé jaillissant de l'atmosphère de l'étoile.
Au centre de la galaxie NGC 4278 se trouve un trou noir qui éjecte deux jets de plasma — comme un canon géant tirant des particules dans l'espace. Ces jets accélèrent des particules à des énergies que nul accélérateur terrestre n'a jamais égalées.
Les astronomes les ont surnommés « petits points rouges » : de lointaines galaxies au centre desquelles se cache un trou noir géant, enveloppé dans une épaisse couche d'hydrogène. Cet emballage n'est pas qu'un camouflage, c'est un véritable canon naturel. Le trou noir aspire la matière, mais en rejette une partie sous forme de jets étroits.
Au centre de la galaxie VV 340a se trouve un trou noir supermassif — un objet dont la gravité est si puissante que même la lumière ne peut s'en échapper. Il émet un jet relativiste — un flux étroit de matière accélérée à des vitesses proches de celle de la lumière.
La nuit, des balles invisibles traversent le ciel : les rayons cosmiques. Ce sont des noyaux atomiques propulsés à des vitesses proches de celle de la lumière. Les champs magnétiques de la Galalie brouillent leurs trajectoires, rendant difficile l'identification de leur lieu de naissance.
En 2019, les astronomes ont dévoilé la première image de l'ombre d'un trou noir : un puits sombre entouré d'un anneau orange irrégulier. Il s'agit du trou noir supermassif au centre de la galaxie M87, à 55 millions d'années-lumière de nous. L'anneau n'est pas seulement lumineux : un de ses côtés est nettement plus brillant que l'autre.
Le télescope James Webb a capté dans une galaxie lointaine une bande lumineuse qui évoque le sillage d'un hors-bord, mais étirée sur deux cent mille années-lumière.
Les sursauts gamma sont les explosions les plus puissantes de l'Univers : une étoile mourante s'effondre en un trou noir, libérant des flux d'énergie. Cela arrive souvent après l'explosion d'une supernova.
