XRISM découvre un écoulement interne chaud qui pourrait alimenter le puissant jet d’un trou noir

Un trou noir qui engloutit rapidement de la matière révèle une frontière interne cruciale

Un trou noir supermassif situé à environ 420 millions d’années-lumière pourrait devoir son puissant jet à un changement de forme et de température de la matière qui tombe vers lui. Les observations de la galaxie 3C 120 indiquent que son disque relativement froid et plat s’arrête avant le trou noir, laissant place à une région interne remplie d’un plasma beaucoup plus chaud, où de puissants champs magnétiques pourraient s’accumuler.

Une équipe dirigée par Hirofumi Noda, professeur associé à l’université du Tohoku, et Kazuhiro Hada, professeur associé à l’université municipale de Nagoya, a combiné les observations de XRISM, la mission japonaise d’imagerie et de spectroscopie en rayons X, avec les mesures de trois réseaux internationaux de radiotélescopes. Ensemble, ces instruments ont permis de relier la structure de la matière entrante au jet étroit qui émerge à proximité du trou noir.

Les résultats, publiés dans The Astrophysical Journal Letters le 19 octobre 2026, apportent des éléments de réponse à une énigme : comment un trou noir peut-il engloutir rapidement de la matière tout en lançant un puissant flux de plasma à une vitesse proche de celle de la lumière ? On pensait que le type de disque attendu lors d’une alimentation rapide se prêtait mal à l’accumulation des champs magnétiques nécessaires à ce processus.

Dans un communiqué de recherche publié le 20 octobre, l’université du Tohoku présente une réponse possible. Le disque externe plus froid cède la place à un écoulement interne chaud, créant des conditions dans lesquelles les champs magnétiques pourraient puiser de l’énergie dans la rotation du trou noir et la canaliser dans un jet.

Pourquoi 3C 120 pose une énigme

3C 120 se trouve dans la direction de la constellation du Taureau. Son trou noir central a une masse d’environ 60 millions de Soleils. Il engloutit rapidement la matière environnante tout en produisant un puissant jet. Cette combinaison en fait une cible intéressante pour étudier le lien entre l’alimentation du trou noir et la production du jet.

La matière qui s’approche d’un trou noir possède généralement un mouvement latéral : elle tourne donc vers l’intérieur au lieu de tomber tout droit. Elle s’accumule dans un disque d’accrétion, où les frottements et d’autres processus chauffent la matière jusqu’à ce qu’elle émette de la lumière et d’autres rayonnements. Les astronomes étudient ces rayonnements pour comprendre une région qu’ils ne peuvent pas observer directement.

On s’attend généralement à ce qu’une alimentation rapide produise un disque relativement froid et géométriquement mince qui s’étend jusqu’à proximité du trou noir. Ici, « froid » s’entend par comparaison avec le plasma beaucoup plus chaud qui se trouve plus près du centre. Un disque mince présente une faible épaisseur verticale par rapport à sa largeur, un peu comme une feuille aplatie.

La difficulté est d’ordre magnétique. Selon l’une des principales explications, les jets puissants nécessitent des champs magnétiques intenses à proximité d’un trou noir en rotation. On estime qu’un disque mince a du mal à maintenir la structure de champ nécessaire. Un écoulement interne plus chaud et plus épais offre un environnement plus favorable ; la position où le disque change de forme est donc au cœur de l’enquête.

XRISM sonde le disque grâce au fer

XRISM, une mission de l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale, a détecté les rayons X émis par le fer présent dans la matière autour du trou noir de 3C 120. Le fer émet des rayonnements à des énergies caractéristiques, qui forment dans un spectre de rayons X une signature reconnaissable appelée raie d’émission. Un spectre répartit les rayonnements en fonction de leur énergie.

La raie du fer change de forme à proximité d’un trou noir. Le mouvement de la matière vers l’observateur ou dans la direction opposée décale l’énergie du rayonnement qu’il reçoit. La forte gravité du trou noir modifie également l’énergie des rayons X qui s’en échappent. Ensemble, ces effets élargissent et déforment la raie.

Les chercheurs se sont appuyés sur cette déformation pour estimer jusqu’où s’étend le disque relativement froid en direction du centre. Selon l’université, son bord interne se situe à environ 20 fois le rayon du trou noir. La description scientifique exprime cette limite à environ 20 rayons gravitationnels, une unité de distance fondée sur la masse du trou noir.

À l’intérieur de cette limite, l’équipe déduit qu’il y a une transition vers un écoulement chaud et géométriquement épais. On pense que le plasma qui s’y trouve atteint des températures de plusieurs centaines de millions de degrés. Le plasma est un gaz dans lequel les électrons se sont séparés des atomes, ce qui permet à la matière d’interagir fortement avec les champs magnétiques.

Les radiotélescopes suivent le jet vers l’intérieur

Les observations radio réalisées à peu près au même moment ont apporté l’autre volet de l’étude. L’équipe a utilisé le Global Millimeter VLBI Array, le Very Long Baseline Array et l’East Asian VLBI Network pour suivre le rétrécissement du jet à mesure qu’il se rapproche du trou noir.

Ces réseaux combinent les mesures de télescopes très éloignés grâce à l’interférométrie à très longue base, ou VLBI. Cette méthode permet aux astronomes de distinguer des détails bien plus fins qu’un radiotélescope seul ne pourrait le faire. Dans cette étude, elle leur a permis de suivre le jet jusqu’à sa source.

À partir de la forme du jet, les chercheurs ont estimé que sa base a un rayon inférieur ou égal à environ 10 fois celui du trou noir. Selon leur interprétation combinée, le jet prend naissance dans l’écoulement interne chaud repéré grâce aux mesures en rayons X, à proximité du trou noir.

Noda, professeur associé à l’université du Tohoku et codirecteur de l’étude, a expliqué l’importance de combiner ces observations :

En observant le même trou noir avec des radiotélescopes et des télescopes à rayons X de pointe, nous avons pu voir à la fois le plasma chaud qui l’entoure et le jet qui en émerge. Cela nous permet de relier directement l’environnement extrême à proximité du trou noir à la formation du jet.

Comment la rotation pourrait fournir l’énergie du jet

L’explication proposée par l’équipe associe trois éléments : un trou noir en rotation, un écoulement de plasma chaud qui se dirige vers lui et de puissants champs magnétiques. Le disque externe plus froid fournit la matière. Plus près du trou noir, l’écoulement plus chaud et plus épais crée une région où les champs magnétiques peuvent s’accumuler plus facilement.

Ces champs pourraient alors extraire une partie de l’énergie de rotation du trou noir et la diriger dans un étroit flux de plasma. La principale théorie décrivant ce processus est appelée mécanisme de Blandford-Znajek. En termes simples, les champs magnétiques relient l’environnement en rotation autour du trou noir à la matière qui accélère vers l’extérieur.

Le jet est donc alimenté à proximité du trou noir tandis que d’autres matières continuent de tomber vers lui. Le système présente ainsi deux mouvements liés : un apport de matière vers l’intérieur et un flux vers l’extérieur qui transporte de l’énergie dans la galaxie environnante.

Pour 3C 120, les chercheurs avancent que le passage d’un disque externe mince à un écoulement interne épais permet à ces mouvements de coexister. La structure exacte du champ magnétique et le transfert de l’énergie de rotation vers le jet restent à étudier.

Un changement de structure relie les mesures

Le titre de l’article, « La troncature du disque déclenche le lancement d’un jet relativiste par un trou noir supermassif à forte accrétion », résume le lien proposé. La troncature du disque signifie que la partie froide et mince du disque s’arrête avant d’atteindre le trou noir. Le terme « relativiste » désigne un mouvement suffisamment rapide pour que la théorie de la relativité d’Einstein soit indispensable à sa compréhension.

Les mesures en rayons X situent la limite interne de ce disque plus froid. Les mesures radio suivent le jet jusqu’à une région située à l’intérieur de cette limite. Considérées ensemble, ces observations fournissent aux chercheurs une explication spatiale de la manière dont un système qui s’alimente rapidement peut réunir les conditions propices à un jet puissant.

Cette conclusion va au-delà de la simple observation d’un disque et d’un jet autour du même objet. L’étude relie le changement de structure du disque à l’endroit où le jet prend naissance, réunissant la matière entrante et la matière sortante dans une même représentation physique.

3C 120 est particulièrement utile parce qu’il s’alimente relativement vite. L’étude le compare à des galaxies actives moins fortement alimentées, comme M87, où des écoulements chauds et épais ont déjà contribué à étayer l’explication magnétique de la production des jets. Ces nouveaux résultats étendent l’étude à un autre régime d’alimentation.

Pourquoi ce résultat dépasse le cas d’une seule galaxie

Les jets emportent de l’énergie loin de l’environnement immédiat des trous noirs supermassifs. En interagissant avec le gaz présent dans les galaxies et autour d’elles, ils peuvent modifier les conditions dans lesquelles les étoiles se forment. Comprendre le moteur à proximité d’un trou noir aide donc les chercheurs à étudier des changements à bien plus grande échelle.

Les résultats obtenus pour 3C 120 établissent un lien concret entre ces échelles : la structure de la matière entrante pourrait contribuer à déterminer si un puissant jet peut se former. Une limite proche du trou noir pourrait influer sur la manière dont l’énergie est transportée très loin de lui.

L’équipe mène d’autres observations coordonnées d’un trou noir plus massif avec XRISM et des observatoires radio du monde entier. Les chercheurs prévoient également de comparer les mesures à des modèles théoriques et à des simulations informatiques afin de vérifier dans quelle mesure la géométrie proposée explique le comportement de la matière et des champs magnétiques.

Noda a décrit l’objectif de cette prochaine étape :

Notre prochain objectif est d’établir une image plus complète des interactions entre la matière, les champs magnétiques et la rotation des trous noirs dans ces environnements extrêmes. Comprendre ce processus pourrait également nous aider à mieux saisir comment les trous noirs supermassifs influent sur l’évolution des galaxies et des grandes structures de l’Univers.

Publication et prochaines observations

Cette recherche associe une mission japonaise d’observation des rayons X à des réseaux radio répartis dans plusieurs régions. Leurs mesures complémentaires sont essentielles à la méthode : les rayons X révèlent les conditions dans l’écoulement d’accrétion, tandis que les observations radio permettent de suivre la structure du jet.

Les dates de publication et les prochaines étapes prévues sont les suivantes :

• 19 octobre 2026 : The Astrophysical Journal Letters publie l’étude dirigée par Noda et Hada.
• 20 octobre 2026 : l’université du Tohoku annonce les résultats et décrit la combinaison des observations en rayons X et radio.
• Prochaine étape : l’équipe mène des observations coordonnées d’un trou noir plus massif et compare les résultats à des modèles et à des simulations.

L’article porte le DOI 10.3847/2041-8213/aeaa2c. Ces détails de publication figurent également dans le communiqué officiel consacré à l’étude. Appliquer la même méthode d’observation à un autre trou noir permettra à l’équipe de vérifier si la transition structurelle observée dans 3C 120 se retrouve dans un autre système.

Points clés

• XRISM et trois réseaux de radiotélescopes ont étudié 3C 120, située à environ 420 millions d’années-lumière.
• Le trou noir de la galaxie a une masse d’environ 60 millions de Soleils et engloutit rapidement de la matière tout en lançant un puissant jet.
• Les mesures en rayons X indiquent que le disque plus froid et mince s’arrête avant d’atteindre le trou noir et cède la place à un écoulement interne beaucoup plus chaud.
• Les observations radio situent l’origine du jet dans la région occupée par cet écoulement chaud.
• L’équipe avance que les champs magnétiques qui s’y accumulent peuvent puiser dans l’énergie de rotation du trou noir pour alimenter le jet.
• D’autres observations porteront sur un trou noir plus massif et permettront de confronter cette explication à des modèles théoriques et à des simulations.