Le LOFAR révèle l'origine des ORC « à double tête »

Un nouveau relevé LOFAR révèle de rares Odd Radio Circles à double tête dans l'espace lointain

Les Odd Radio Circles (ORC) sont provoqués par plusieurs mécanismes possibles, notamment des ondes de choc issues de la fusion de trous noirs supermassifs, une formation d'étoiles intense créant des « supervents », ou des jets provenant de noyaux actifs de galaxie observés de face. Des découvertes récentes issues du LOFAR Two Metre Sky Survey (LoTSS) révèlent que les ORC à double tête, caractérisés par deux anneaux s'entrecroisant, résultent probablement de jets radio bipolaires interagissant avec le plasma environnant dans les amas de galaxies. Cette découverte, menée par les chercheurs M. Brüggen, F. de Gasperin et G. Di Gennaro, élargit considérablement notre compréhension de ces rares structures radio à bords brillants.

Le mystère croissant des Odd Radio Circles (ORC) a débuté en 2019 lors de la première détection de ces massives structures en forme d'anneau, intriguant les astronomes par leur symétrie circulaire et l'absence, à l'époque, de contreparties optiques évidentes. Ces phénomènes s'étendent généralement sur environ 1 arcminute dans le ciel, une échelle qui représente des centaines de kiloparsecs aux distances cosmologiques où ils se situent. Jusqu'à l'avènement de relevés à basse fréquence et haute sensibilité comme LOFAR, ces structures restaient cachées en raison de leur faible brillance de surface et des gammes de fréquences spécifiques requises pour résoudre leurs émissions diffuses et ténues.

Quelles sont les causes des ORC simples et à double tête dans les relevés LOFAR ?

Les ORC simples sont produits par des événements énergétiques à l'échelle galactique tels que des chocs de terminaison provenant de vents galactiques ou les restes d'anciennes explosions au sein de galaxies massives. En revanche, les ORC à double tête, qui présentent des morphologies complexes à deux anneaux, sont considérés comme le résultat de jets de plasma magnétisé relativistes émanant dans des directions opposées d'un trou noir supermassif central. Ces jets interagissent avec l'environnement local pour former des structures symétriques aux bords brillants qui apparaissent comme des anneaux se chevauchant ou adjacents dans les longueurs d'onde radio.

La méthodologie employée par M. Brüggen et ses collègues a impliqué une analyse sophistiquée des données du LOFAR Two Metre Sky Survey (LoTSS) data release 3 (DR3) à 144 MHz. Pour naviguer parmi les millions de sources radio présentes dans le catalogue, l'équipe a utilisé une combinaison de filtrage automatisé des paramètres et d'une inspection visuelle manuelle rigoureuse. Cette approche hybride leur a permis d'isoler 18 sources distinctes présentant des structures de type ORC, dont cinq nouveaux ORC simples et deux toutes nouvelles découvertes à double tête. En recoupant ces résultats avec des données radio à 54 MHz et 1400 MHz, les chercheurs ont pu dériver des mesures critiques telles que les indices spectraux et les dimensions physiques.

Les ORC sont-ils associés aux galaxies elliptiques ?

Les Odd Radio Circles (ORC) sont associés à de grandes galaxies elliptiques dans la grande majorité des cas observés, lesquelles occupent généralement le centre géométrique des anneaux radio. Alors que les relevés précédents n'étaient pas concluants concernant la morphologie des hôtes, les données à haute résolution du relevé LOFAR confirment que ces elliptiques massives servent d'« ancres galactiques » pour ces phénomènes. La présence de ces galaxies hôtes spécifiques suggère que les processus énergétiques nécessaires à la création d'un ORC — tels qu'une activité majeure de trou noir — sont intrinsèques à l'évolution des galaxies les plus massives de l'univers.

Les données de décalage vers le rouge (redshift) dérivées de ces contreparties optiques ont permis à l'équipe de recherche d'estimer la taille physique de ces structures plus précisément que jamais. L'étude a révélé une corrélation notable entre la taille physique des Odd Radio Circles (ORC) et leur indice spectral intégré ; plus précisément, les ORC de plus petite taille semblent éviter les spectres radio raides. Cette hétérogénéité suggère que la population d'ORC pourrait être plus diversifiée qu'on ne le soupçonnait auparavant, composée de multiples sous-types formés par différentes conditions environnementales ou stades d'évolution galactique. Les chercheurs ont noté que l'identification de la galaxie hôte est une étape cruciale pour déterminer si l'anneau est une coque sphérique ou un disque projeté.

Quel est le lien entre les ORC et les jets de trous noirs supermassifs ?

Les ORC sont directement liés aux jets des trous noirs supermassifs, qui agissent comme le moteur principal propulsant le plasma magnétisé dans le milieu intergalactique. Ces jets relativistes créent une pression énorme lorsqu'ils frappent le plasma thermique environnant d'un amas de galaxies, entraînant un choc de terminaison qui se manifeste sous la forme d'un anneau circulaire à bords brillants. Cette relation positionne les ORC comme un enregistrement visuel des cycles de rétroaction intenses entre un trou noir supermassif et son environnement hôte sur des millions d'années.

Les implications de cette recherche sont profondes pour le domaine de la radioastronomie extragalactique, car elles remettent en question les théories actuelles concernant les modèles d'origine par « onde de choc » par rapport aux modèles par « jet ». Si les ORC simples pourraient potentiellement s'expliquer par une onde de choc sphérique unique provenant d'une fusion, les ORC à double tête identifiés dans les données LoTSS DR3 nécessitent un mécanisme de production plus complexe. La symétrie observée dans ces anneaux jumeaux soutient fortement le modèle de jet bipolaire, où l'énergie est canalisée le long d'un axe plutôt que de s'étendre uniformément dans toutes les directions. Cela suggère que certains ORC pourraient être essentiellement des galaxies radio traditionnelles observées selon une orientation spécifique qui accentue leurs sections circulaires.

À l'avenir, la recherche sur les Odd Radio Circles (ORC) dépendra de relevés encore plus profonds et à plus haute résolution. Le travail de l'équipe visant à étendre la population connue à 18 sources fournit une base statistique indispensable pour les modélisations futures. Les installations de nouvelle génération, telles que le Square Kilometre Array (SKA), devraient permettre de découvrir des milliers de ces structures, permettant aux astronomes d'observer les phases de transition de la formation des ORC. À mesure que la résolution s'améliore, la communauté scientifique pourra enfin déterminer si ces anneaux cosmiques sont des caractéristiques communes à toutes les galaxies massives ou des reliques rares des événements les plus violents de l'univers.

• Total des structures ORC identifiées : 18
• ORC à double tête trouvés : 4 (dont 2 nouvelles découvertes)
• Nouveaux ORC simples : 5
• Fréquence du relevé : 144 MHz (LoTSS DR3)
• Type d'hôte principal : Galaxies elliptiques massives