Les filaments galactiques forment un réseau d'espace-mémoire autour de Sagittarius A*

Par William Brown, scientifique à la Resonance Science Foundation

Des observations récentes de filaments moléculaires thermiques alignés radialement et horizontalement dans le plan galactique et émanant du trou noir supermassif central - Sagittarius A* - révèlent la structure hydrodynamique sous-jacente du réseau d'espace-mémoire et la géométrie de la relation entre l'architecture espace-mémoire et la magnétohydrodynamique du trou noir au niveau du noyau galactique.

Des centaines de filaments étranges se tordent au centre de la galaxie

Le centre de notre galaxie est rempli d'une myriade de filaments de plasma chaud tordus et ordonnés radialement, qui pourraient s'être formés à la suite d'un important flux collimaté d'énergie provenant de Sagittarius A* le long du plan galactique. De nouveaux travaux ont révélé avec une précision extrême de nombreuses caractéristiques de cette population nouvellement découverte de filaments du centre galactique, bien que de nombreuses questions restent en suspens quant à leur formation et leur alignement ordonné.

_{Deux populations de filaments, perpendiculaire et parallèle au plan galactique, qui s'étend horizontalement. Image de Farhad Yusef-Zadeh [1].}

La découverte a été faite par l'équipe de recherche de Farhad Yusef-Zadeh, un groupe d'astrophysiciens de l'Université Northwestern dans l'Illinois, qui a utilisé les données du radiotélescope MeerKAT en Afrique du Sud pour observer et analyser les mystérieux filaments galactiques [1]. Le groupe de Yusef-Zadeh utilise la haute sensibilité et la résolution des nouvelles installations astronomiques telles que VLA, MeerKAT et ALMA (interféromètres radio et submm), ainsi que d'autres installations spatiales dans le domaine des rayons X et de l'infrarouge proche, telles que Chandra et HST, pour étudier l'origine de cette activité au centre de notre galaxie.

En 1984, Yusef-Zadeh a découvert un ensemble de grands filaments verticaux hautement organisés près du centre galactique [2]. Depuis, il a ajouté des observations de milliers de filaments similaires s'étendant dans toute la région [3] ainsi que de grandes bulles révélant des flux d'énergie hydrodynamiques ordonnés provenant de Sagittarius A*.

_{Image radio des parties centrales de la Voie lactée. Les grands arcs ondulés au-dessus et au-dessous du centre lumineux sont des structures récemment découvertes que les chercheurs étudient afin de mieux comprendre l'évolution de notre galaxie. Ces "bulles radio" ont été détectées par le réseau de télescopes MeerKAT. Crédit : SARAO/Oxford.} 

L'alignement ordonné des filaments relativement courts du centre galactique, dont certains sont alignés horizontalement sur le plan équatorial du disque galactique et d'autres s'étendent radialement à partir du centre galactique, a surpris les astrophysiciens, car les filaments verticaux précédemment détectés étaient alignés sur le champ magnétique de la galaxie, alors que les filaments situés en dehors de l'alignement polaire nord-sud de la galaxie devraient être orientés de manière aléatoire. Cela soulève des questions sur les processus hydrodynamiques qui sous-tendent leur formation et sur ce qui pourrait produire l'orientation et l'alignement ordonnés et non aléatoires de ces nombreux filaments.

Le physicien Nassim Haramein a suggéré que l'alignement ordonné des filaments avec le centre galactique récemment découverts est une observation directe du couplage des modèles de plasma à l'échelle de Planck du vide quantique (hydrodynamique du réseau d'espace-mémoire) avec les flux d'énergie sortants et entrants du trou noir central supermassif, ce qui permet de décrire un certain nombre de caractéristiques de l'activité du noyau galactique qui ont laissé les astrophysiciens perplexes, comme la dynamique sous-jacente de rétroaction des noyaux galactiques actifs donnant forme à la galaxie (voir la vidéo ci-dessous pour notre récente revue de science unifiée qui traite de la dynamique de rétroaction des noyaux galactiques actifs et du couplage avec leur champ de plasma à l'échelle de Planck sous-jacent).

La découverte récente de ces filaments au centre de notre galaxie est une poursuite passionnante de l'analyse de la dynamique des activités du noyau galactique et des trous noirs supermassifs. De nombreuses caractéristiques intriguent, comme la différence entre la population de filaments galactiques récemment découverte et celle observée pour la première fois il y a plus de 40 ans. Par exemple, les filaments verticaux mesurent jusqu'à 150 années-lumière de haut, alors que les filaments horizontaux ne mesurent que 5 à 10 années-lumière de long, tous pointant vers Sagittarius A*. Ces filaments horizontaux semblent également être constitués de gaz, contrairement aux filaments verticaux, qui sont probablement constitués d'électrons à haute énergie. Cependant, les deux populations de filaments semblent s'éloigner de Sagittarius A*, ce qui indique que le trou noir supermassif est, au moins en partie, à l'origine de ces étranges formations. En effet, il semble y avoir une corrélation significative entre les filaments moléculaires et les bulles de Fermi dont on sait qu'elles proviennent d'une émission colossale d'énergie de Sagittarius A* [4], ce qui situe la formation de ces structures à une époque relativement récente, il y a entre 2 et 6 millions d'années.

Une dynamique universelle

La morphologie et l'organisation de ces filaments, depuis les filaments alignés verticalement à 150 années-lumière qui dominent Sagittarius A* jusqu'aux milliers de filaments courts du centre galactique, sont très intrigantes, car elles indiquent l'existence de forces magnétohydrodynamiques qui ne sont pas encore totalement comprises. Les milliers de filaments récemment découverts apparaissent par paires et en grappes, souvent empilés à égale distance, côte à côte comme les cordes d'une harpe ou se déversant latéralement comme des ondulations individuelles dans une chute d'eau. Bien que la dynamique de l'ordre ne soit pas entièrement comprise, et que la meilleure explication puisse être la rétroaction hydrodynamique sous-jacente du réseau espace-mémoire, la composition de ces filaments galactiques collimatés a été en grande partie délimitée. En utilisant les observations des radiotélescopes, le groupe de recherche de Farhad Yusef-Zadeh a découvert que les filaments alignés verticalement sont constitués d'électrons de rayons cosmiques qui tournent le long d'un champ magnétique à une vitesse proche de celle de la lumière.

Grâce à ces données, l'énigme de la composition des filaments galactiques a été résolue pour obtenir une image plus cohérente. De plus, des données provenant de l'extérieur de notre galaxie répondent à certaines questions restées en suspens sur la formation de ces structures galactiques apparemment mystérieuses. Les astronomes ont découvert une nouvelle population de filaments galactiques en dehors de notre galaxie, ce qui offre de nouvelles possibilités d'étudier les processus physiques entourant les filaments  dans l'espace[5].

Les filaments nouvellement découverts se trouvent dans l'amas de galaxies Abell 194, à environ 220 millions d'années-lumière de la Terre. Certaines des galaxies de l'amas sont des radiogalaxies actives, qui semblent être des terrains propices à la formation de filaments magnétiques à grande échelle. La formation de ces filaments galactiques, maintenant observée dans d'autres galaxies, démontre que le phénomène est universel et lié à la dynamique de rétroaction des noyaux actifs galactiques des trous noirs supermassifs centraux au coeur de leurs galaxies respectives.

_{Carte des radiofréquences de l'amas des galaxies NGC 547, NGC 545 et NGC 541, mettant en évidence le noyau galactique actif de NGC 547 et les filaments E associés s'étendant à partir des jets polaires ; des filaments de plasma synchroton magnétisés s'étendant à travers le milieu intragalactique. La structure radio 3C40B mesure environ 500 kpc, soit environ 1,6 million d'années-lumière de diamètre. Source et crédit de l'image [5].}

Des colosses galactiques

Bien que cette nouvelle population de filaments ressemble à celle de la Voie lactée et qu'elle présente certaines similitudes essentielles, comme le même rapport longueur/largeur que les filaments de la Voie lactée, et que les deux populations semblent transporter de l'énergie par les mêmes mécanismes, il existe des différences essentielles : les filaments situés en dehors de la Voie lactée, par exemple, sont beaucoup plus grands - de 100 à 10 000 fois plus longs. La taille de ces colosses galactiques est étonnante, certains filaments atteignant jusqu'à 200 kiloparsecs, soit quatre à cinq fois la taille de notre galaxie, la Voie lactée. Ces filaments sont également beaucoup plus anciens et leurs champs magnétiques sont plus faibles. La plupart d'entre elles sont curieusement suspendues à un angle de 90 degrés par rapport aux jets du trou noir supermassif central et s'étendent dans le milieu intra-amas - un milieu dynamique alimenté par une accrétion continue le long des structures des filaments  à grande échelle et par des fusions avec des groupes de galaxies, ainsi que par des apports internes supplémentaires d'énergie provenant d'explosions de supernova au fur et à mesure de l'évolution des galaxies intégrées, et par des apports moins fréquents mais puissants de quantité de mouvement, d'énergie, de rayons cosmiques et de champs magnétiques provenant de jets de noyaux actifs galactiques (des trous noirs supermassifs situés à l'intérieur du noyau galactique).

L'analyse de ces filaments colossaux émanant des jets polaires de ces galaxies lointaines montre que les électrons composant les  filaments sont plus énergétiques lorsqu'ils sont proches du jet, mais qu'ils perdent de l'énergie à mesure qu'ils descendent le long du filament. Bien que le jet du trou noir puisse fournir les particules de départ nécessaires à la création d'un filament, quelque chose d'inconnu doit accélérer ces particules sur des longueurs de plusieurs kiloparsec, car il est remarquable que les électrons restent ensemble sur ces distances incroyablement longues, ce qui n'est pas facilement explicable dans le cadre d'un modèle conventionnel d'écoulement magnétohydrodynamique dans lequel il n'y a pas de couplage avec le plasma de Planck sous-jacent du réseau d'espace mémoire.

Les différences observées entre les filaments galactiques de la Voie Lactée et les filaments plus anciens et colossaux observés dans d'autres galaxies comme NGC547 peuvent simplement résulter du point de vue de la perspective, où nous sommes capables de distinguer de petits filaments de 5 à 10 années-lumière dans notre propre centre galactique, relativement proche, alors que seuls les filaments les plus grands et les plus proéminents sont observables dans d'autres galaxies résidant à des centaines de millions d'années-lumière de distance de nous. Quoi qu'il en soit, l'universalité de la dynamique qui forme ces structures de plasma filamentaire est intéressante et permettra certainement de mieux comprendre les forces relativement invisibles du réseau d'espace-mémoire qui façonnent les systèmes organisés, de l'échelle cosmologique à l'échelle atomique.

Références

[1] F. Yusef-Zadeh, R. G. Arendt, M. Wardle, and I. Heywood, “The Population of the Galactic Center Filaments: Position Angle Distribution Reveals a Degree-scale Collimated Outflow from Sgr A* along the Galactic Plane,” ApJL, vol. 949, no. 2, p. L31, Jun. 2023, doi: 10.3847/2041-8213/acd54b.

[2] F. Yusef-Zadeh, M. Morris, and D. Chance, “Large, highly organized radio structures near the galactic centre,” Nature, vol. 310, no. 5978, Art. no. 5978, Aug. 1984, doi: 10.1038/310557a0.

[3] F. Yusef-Zadeh, R. G. Arendt, M. Wardle, I. Heywood, W. D. Cotton, and F. Camilo, “Statistical Properties of the Population of the Galactic Center Filaments: The Spectral Index and Equipartition Magnetic Field,” ApJL, vol. 925, no. 2, p. L18, Feb. 2022, doi: 10.3847/2041-8213/ac4802.

[4] H.-Y. K. Yang, M. Ruszkowski, and E. G. Zweibel, “Fermi and eROSITA bubbles as relics of the past activity of the Galaxy’s central black hole,” Nat Astron, vol. 6, no. 5, Art. no. 5, May 2022, doi: 10.1038/s41550-022-01618-x.

[5] L. Rudnick et al., “Intracluster magnetic filaments and an encounter with a radio jet,” ApJ, vol. 935, no. 2, p. 168, Aug. 2022, doi: 10.3847/1538-4357/ac7c76.