La recherche révèle huit nouvelles sources d’échos de trous noirs


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  • Dispersés à travers notre galaxie, la Voie lactée, se trouvent des dizaines de millions de trous noirs – des puits gravitationnels immensément puissants d’espace-temps, d’où la matière, et même la lumière, ne peuvent jamais s’échapper. Les trous noirs sont sombres par définition, sauf dans les rares occasions où ils se nourrissent. Lorsqu’un trou noir aspire le gaz et la poussière d’une étoile en orbite, il peut émettre des éclats spectaculaires de rayons X qui rebondissent et font écho au gaz inspiré, illuminant brièvement l’environnement extrême d’un trou noir.

    Maintenant, les astronomes du MIT recherchent des éclairs et des échos provenant de binaires à rayons X de trous noirs à proximité – des systèmes avec une étoile en orbite, et parfois rongée par un trou noir. Ils analysent les échos de tels systèmes pour reconstituer le voisinage immédiat et extrême d’un trou noir.

    Dans une étude parue aujourd’hui dans le Journal astrophysique, les chercheurs rapportent avoir utilisé un nouvel outil de recherche automatisé, qu’ils ont baptisé la « machine à réverbération », pour parcourir les données satellitaires à la recherche de signes d’échos de trous noirs. Dans leur recherche, ils ont découvert huit nouveaux binaires de trous noirs en écho dans notre galaxie. Auparavant, seuls deux de ces systèmes dans la Voie lactée étaient connus pour émettre des échos de rayons X.

    En comparant les échos entre les systèmes, l’équipe a reconstitué une image générale de la façon dont un trou noir évolue pendant une explosion. Dans tous les systèmes, ils ont observé qu’un trou noir subit d’abord un état « dur », fouettant une couronne de photons à haute énergie avec un jet de particules relativistes qui est lancé à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Les chercheurs ont découvert qu’à un certain point, le trou noir émet un éclair final à haute énergie, avant de passer à un état « doux » à faible énergie.

    Ce flash final peut être un signe que la couronne d’un trou noir, la région de plasma à haute énergie juste à l’extérieur de la limite d’un trou noir, se dilate brièvement, éjectant une dernière rafale de particules à haute énergie avant de disparaître complètement. Ces découvertes pourraient aider à expliquer comment des trous noirs supermassifs plus grands au centre d’une galaxie peuvent éjecter des particules à travers des échelles extrêmement cosmiques pour façonner la formation d’une galaxie.

    « Le rôle des trous noirs dans l’évolution des galaxies est une question en suspens dans l’astrophysique moderne », explique Erin Kara, professeur adjoint de physique au MIT. « Il est intéressant de noter que ces binaires de trous noirs semblent être des » mini « trous noirs supermassifs, et donc en comprenant les explosions dans ces petits systèmes proches, nous pouvons comprendre comment des explosions similaires dans des trous noirs supermassifs affectent les galaxies dans lesquelles ils résident. »

    Le premier auteur de l’étude est l’étudiant diplômé du MIT Jingyi Wang ; les autres co-auteurs incluent Matteo Lucchini et Ron Remillard du MIT, ainsi que des collaborateurs de Caltech et d’autres institutions.

    Retards aux rayons X

    Kara et ses collègues utilisent des échos de rayons X pour cartographier le voisinage d’un trou noir, de la même manière que les chauves-souris utilisent des échos sonores pour naviguer dans leur environnement. Lorsqu’une chauve-souris émet un appel, le son peut rebondir sur un obstacle et revenir à la chauve-souris en écho. Le temps qu’il faut pour que l’écho revienne est relatif à la distance entre la chauve-souris et l’obstacle, donnant à l’animal une carte mentale de son environnement.

    De la même manière, l’équipe du MIT cherche à cartographier le voisinage immédiat d’un trou noir à l’aide d’échos de rayons X. Les échos représentent des délais entre deux types de lumière à rayons X : la lumière émise directement par la couronne et la lumière de la couronne qui rebondit sur le disque d’accrétion de gaz et de poussière inspirés.

    Le moment où un télescope reçoit la lumière de la couronne, comparé au moment où il reçoit les échos de rayons X, donne une estimation de la distance entre la couronne et le disque d’accrétion. Regarder comment ces délais changent peut révéler comment la couronne et le disque d’un trou noir évoluent à mesure que le trou noir consomme de la matière stellaire.

    Évolution de l’écho

    Dans leur nouvelle étude, l’équipe a développé un algorithme de recherche pour parcourir les données prises par l’explorateur de composition intérieure de l’étoile Neutron de la NASA, ou NICER, un télescope à rayons X à haute résolution temporelle à bord de la Station spatiale internationale. L’algorithme a sélectionné 26 systèmes binaires à rayons X de trous noirs qui étaient auparavant connus pour émettre des explosions de rayons X. Sur ces 26, l’équipe a découvert que 10 systèmes étaient suffisamment proches et brillants pour pouvoir discerner les échos de rayons X au milieu des explosions. Huit des 10 n’étaient auparavant pas connus pour émettre des échos.

    « Nous voyons de nouvelles signatures de réverbération dans huit sources », a déclaré Wang. « Les trous noirs ont une masse de cinq à 15 fois la masse du soleil, et ils sont tous dans des systèmes binaires avec des étoiles normales, de faible masse, semblables au soleil. »

    Dans le cadre d’un projet parallèle, Kara travaille avec des spécialistes de l’éducation et de la musique du MIT, Kyle Keane et Ian Condry, pour convertir l’émission d’un écho de rayons X typique en ondes sonores audibles.

    Échos vidéo d’un trou noir : https://youtu.be/iIeIag2Ji8k

    Les chercheurs ont ensuite exécuté l’algorithme sur les 10 binaires de trous noirs et divisé les données en groupes avec des « caractéristiques de synchronisation spectrale » similaires, c’est-à-dire des retards similaires entre les rayons X à haute énergie et les échos retraités. Cela a permis de suivre rapidement l’évolution des échos de rayons X à chaque étape de l’explosion d’un trou noir.

    L’équipe a identifié une évolution commune à tous les systèmes. Dans l’état « dur » initial, dans lequel une couronne et un jet de particules de haute énergie dominent l’énergie du trou noir, ils ont détecté des décalages temporels courts et rapides, de l’ordre de la milliseconde. Cet état dur dure plusieurs semaines. Ensuite, une transition se produit sur plusieurs jours, au cours de laquelle la couronne et le jet crachotent et s’éteignent, et un état mou prend le relais, dominé par les rayons X de plus faible énergie provenant du disque d’accrétion du trou noir.

    Au cours de cet état de transition difficile à doux, l’équipe a découvert que les décalages temporels augmentaient momentanément dans les 10 systèmes, ce qui impliquait que la distance entre la couronne et le disque augmentait également. Une explication est que la couronne peut brièvement s’étendre vers l’extérieur et vers le haut, dans une dernière explosion de haute énergie avant que le trou noir ne termine la majeure partie de son repas stellaire et ne se calme.

    « Nous sommes sur le point de pouvoir utiliser ces échos lumineux pour reconstruire les environnements les plus proches du trou noir », explique Kara. « Maintenant, nous avons montré que ces échos sont couramment observés, et nous sommes en mesure de sonder les connexions entre le disque, le jet et la couronne d’un trou noir d’une nouvelle manière. »

    Cette recherche a été soutenue, en partie, par la NASA.

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