Les rayons X polarisés révèlent la forme et l’orientation de la matière extrêmement chaude autour du trou noir

La matière est chauffée à des millions de degrés lorsqu’elle est attirée vers un trou noir. Cette matière chaude brille dans les rayons X. Les chercheurs utilisent des mesures de la polarisation de ces rayons X pour tester et affiner les modèles qui décrivent comment les trous noirs avalent la matière, devenant ainsi l’une des sources de lumière les plus lumineuses – y compris les rayons X – de l’univers.

Les nouvelles mesures de Cygnus X-1, publiées en ligne par la revue La science le jeudi 3 novembre, représentent les premières observations d’un trou noir accrétant de masse de la mission Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE), une collaboration internationale entre la NASA et l’Agence spatiale italienne (ASI). Cygnus X-1 est l’une des sources de rayons X les plus brillantes de notre galaxie, consistant en un trou noir de 21 masses solaires en orbite avec une étoile compagnon de 41 masses solaires.

“Les observations précédentes de rayons X de trous noirs ne mesuraient que la direction d’arrivée, l’heure d’arrivée et l’énergie des rayons X du plasma chaud en spirale vers les trous noirs”, a déclaré l’auteur principal Henric Krawczynski, professeur Wayman Crow de physique en arts et sciences. à l’Université de Washington à St. Louis et membre du corps professoral du McDonnell Center for the Space Sciences de l’université. “IXPE mesure également leur polarisation linéaire, qui contient des informations sur la façon dont les rayons X ont été émis – et si, et où, ils diffusent des matériaux proches du trou noir.”

Aucune lumière, pas même la lumière des rayons X, ne peut s’échapper de l’intérieur de l’horizon des événements d’un trou noir. Les rayons X détectés avec l’IXPE sont émis par la matière chaude, ou plasma, dans une région de 2 000 km de diamètre entourant l’horizon des événements de 60 km de diamètre du trou noir.

La combinaison des données IXPE avec des observations simultanées des observatoires à rayons X NICER et NuSTAR de la NASA en mai et juin 2022 a permis aux auteurs de contraindre la géométrie – c’est-à-dire la forme et l’emplacement – ​​du plasma.

Les chercheurs ont découvert que le plasma s’étend perpendiculairement à une sortie de plasma en forme de crayon à deux côtés, ou jet, imagée lors d’observations radio antérieures. L’alignement de la direction de la polarisation des rayons X et du jet appuie fortement l’hypothèse selon laquelle les processus dans la région lumineuse aux rayons X proche du trou noir jouent un rôle crucial dans le lancement du jet.

Les observations correspondent aux modèles prédisant que la couronne de plasma chaud prend en sandwich le disque de matière en spirale vers le trou noir ou remplace la partie interne de ce disque. Les nouvelles données de polarisation excluent les modèles dans lesquels la couronne du trou noir est une colonne ou un cône de plasma étroit le long de l’axe du jet.

Les scientifiques ont noté qu’une meilleure compréhension de la géométrie du plasma autour d’un trou noir peut en dire beaucoup sur le fonctionnement interne des trous noirs et sur la façon dont ils accumulent de la masse.

“Ces nouvelles connaissances permettront d’améliorer les études par rayons X sur la façon dont la gravité courbe l’espace et le temps à proximité des trous noirs”, a déclaré Krawczynski.

En ce qui concerne spécifiquement le trou noir Cygnus X-1, “les observations d’IXPE révèlent que le flux d’accrétion est plus visible qu’on ne le pensait auparavant”, a expliqué le co-auteur Michal Dovčiak de l’Institut astronomique de l’Académie tchèque des sciences.

“Cela peut être la signature d’un désalignement du plan équatorial du trou noir et du plan orbital du binaire”, ou du duo jumelé du trou noir et de son étoile compagne, a précisé la co-auteure Alexandra Veledina de l’Université de Turku. . “Le système a peut-être acquis ce désalignement lorsque l’étoile progénitrice du trou noir a explosé.”

“La mission IXPE utilise des miroirs à rayons X fabriqués au Marshall Space Flight Center de la NASA et une instrumentation de plan focal fournie par une collaboration de l’ASI, de l’Institut national d’astrophysique (INAF) et de l’Institut national de physique nucléaire”, a déclaré le co-auteur Fabio Muleri. de l’INAF-IAPS. “Au-delà de Cygnus X-1, IXPE est utilisé pour étudier un large éventail de sources de rayons X extrêmes, y compris les étoiles à neutrons à accrétion de masse, les pulsars et les nébuleuses de vent pulsar, les restes de supernova, notre centre galactique et les noyaux galactiques actifs. Nous avons trouvé beaucoup de surprises, et nous nous amusons beaucoup.”

Un deuxième article dans le même numéro de Science a été dirigé par Roberto Taverna de l’Université de Padoue et décrit la détection IXPE des rayons X hautement polarisés du magnétar 4U 0142+61.

“Nous sommes ravis de faire partie de cette nouvelle vague de découvertes scientifiques en astrophysique”, a déclaré Krawczynski.