La carte 2D de ce “disque de vent” peut révéler des indices sur la formation des galaxies. —

À des échelles immenses, les “vents de disque” peuvent offrir des indices sur la façon dont les trous noirs supermassifs façonnent des galaxies entières. Les astronomes ont observé des signes de vents de disque dans de nombreux systèmes, y compris des trous noirs en accrétion et des étoiles à neutrons. Mais à ce jour, ils n’ont jamais entrevu qu’une vision très étroite de ce phénomène.

Maintenant, les astronomes du MIT ont observé une bande de vents plus large, dans Hercules X-1, un système dans lequel une étoile à neutrons éloigne la matière d’une étoile semblable au soleil. Le disque d’accrétion de cette étoile à neutrons est unique en ce qu’il vacille, ou “précède”, lorsqu’il tourne. En profitant de cette oscillation, les astronomes ont capturé différentes perspectives du disque en rotation et créé pour la première fois une carte bidimensionnelle de ses vents.

La nouvelle carte révèle la forme et la structure verticales du vent, ainsi que sa vitesse – environ des centaines de kilomètres par seconde, soit environ un million de miles par heure, ce qui est à l’extrémité la plus douce de ce que les disques d’accrétion peuvent faire tourner.

Si les astronomes peuvent repérer plus de systèmes vacillants à l’avenir, la technique de cartographie de l’équipe pourrait aider à déterminer comment les vents du disque influencent la formation et l’évolution des systèmes stellaires, et même des galaxies entières.

“À l’avenir, nous pourrions cartographier les vents du disque dans une gamme d’objets et déterminer comment les propriétés du vent changent, par exemple, avec la masse d’un trou noir ou avec la quantité de matière qu’il accumule”, explique Peter Kosec, postdoctorant en Institut Kavli du MIT pour l’astrophysique et la recherche spatiale. “Cela aidera à déterminer comment les trous noirs et les étoiles à neutrons influencent notre univers.”

Kosec est l’auteur principal d’une étude parue dans Astronomie naturelle. Ses co-auteurs du MIT incluent Erin Kara, Daniele Rogantini et Claude Canizares, ainsi que des collaborateurs de plusieurs institutions, dont l’Institut d’astronomie de Cambridge, au Royaume-Uni.

Viseur fixe

Les vents de disque ont le plus souvent été observés dans les binaires à rayons X – des systèmes dans lesquels un trou noir ou une étoile à neutrons extrait de la matière d’un objet moins dense et génère un disque chauffé à blanc de matière en spirale, ainsi que du vent sortant. La manière exacte dont les vents sont lancés à partir de ces systèmes n’est pas claire. Certaines théories proposent que les champs magnétiques pourraient déchiqueter le disque et expulser une partie du matériau vers l’extérieur sous forme de vent. D’autres postulent que le rayonnement de l’étoile à neutrons pourrait chauffer et évaporer la surface du disque dans des rafales chauffées à blanc.

Des indices sur les origines d’un vent peuvent être déduits de sa structure, mais la forme et l’étendue des vents de disque ont été difficiles à résoudre. La plupart des binaires produisent des disques d’accrétion de forme relativement uniforme, comme de fins beignets de gaz qui tournent dans un seul plan. Les astronomes qui étudient ces disques depuis des satellites ou des télescopes éloignés ne peuvent observer les effets des vents du disque que dans une plage fixe et étroite, par rapport à leur disque en rotation. Tout vent que les astronomes parviennent à détecter n’est donc qu’un petit morceau de sa plus grande structure.

“Nous ne pouvons sonder les propriétés du vent qu’en un seul point, et nous sommes complètement aveugles à tout ce qui se trouve autour de ce point”, note Kosec.

En 2020, lui et ses collègues ont réalisé qu’un système binaire pouvait offrir une vision plus large des vents de disque. Hercules X-1 s’est démarqué de la plupart des binaires à rayons X connus pour son disque d’accrétion déformé, qui vacille lorsqu’il tourne autour de l’étoile à neutrons centrale du système.

“Le disque oscille vraiment au fil du temps tous les 35 jours, et les vents proviennent de quelque part dans le disque et traversent notre ligne de visée à différentes hauteurs au-dessus du disque avec le temps”, explique Kosec. “C’est une propriété très unique de ce système qui nous permet de mieux comprendre ses propriétés de vent vertical.”

Une oscillation déformée

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont observé Hercule X-1 à l’aide de deux télescopes à rayons X – le XMM Newton de l’Agence spatiale européenne et l’observatoire Chandra de la NASA.

“Ce que nous mesurons est un spectre de rayons X, ce qui signifie la quantité de photons X qui arrivent à nos détecteurs, par rapport à leur énergie. Nous mesurons les raies d’absorption, ou le manque de lumière X à des énergies très spécifiques”, dit Kosec. “D’après le rapport de la force des différentes lignes, nous pouvons déterminer la température, la vitesse et la quantité de plasma dans le vent du disque.”

Avec le disque déformé d’Hercules X-1, les astronomes ont pu voir la ligne du disque se déplacer de haut en bas alors qu’il vacillait et tournait, de la même manière qu’un enregistrement déformé semble osciller lorsqu’il est vu par le bord. L’effet était tel que les chercheurs pouvaient observer des signes de vents de disque à des hauteurs changeantes par rapport au disque, plutôt qu’à une seule hauteur fixe au-dessus d’un disque en rotation uniforme.

En mesurant les émissions de rayons X et les raies d’absorption lorsque le disque vacillait et tournait au fil du temps, les chercheurs ont pu analyser des propriétés telles que la température et la densité des vents à différentes hauteurs par rapport à son disque et construire une carte bidimensionnelle du vent. structuration verticale.

“Ce que nous voyons, c’est que le vent s’élève du disque, à un angle d’environ 12 degrés par rapport au disque alors qu’il se dilate dans l’espace”, explique Kosec. “Il devient également plus froid et plus grumeleux, et plus faible à des hauteurs plus élevées au-dessus du disque.”

L’équipe prévoit de comparer leurs observations avec des simulations théoriques de divers mécanismes de lancement du vent, pour voir lequel pourrait le mieux expliquer les origines du vent. Plus loin, ils espèrent découvrir davantage de systèmes déformés et oscillants, et cartographier leurs structures de vent de disque. Ensuite, les scientifiques pourraient avoir une vision plus large des vents du disque et de la manière dont ces écoulements influencent leur environnement, en particulier à des échelles beaucoup plus grandes.

« Comment les trous noirs supermassifs affectent-ils la forme et la structure des galaxies ? » pose Erin Kara, professeure adjointe de physique en développement de carrière de 1958 au MIT. “L’une des principales hypothèses est que les vents de disque, lancés à partir d’un trou noir, peuvent affecter l’apparence des galaxies. Nous pouvons maintenant obtenir une image plus détaillée de la façon dont ces vents sont lancés et à quoi ils ressemblent.”

Cette recherche a été financée en partie par la NASA.