Détection d’une impulsion de rayons X près d’un horizon des évènements pendant qu’un trou noir dévore une étoile

Les chercheurs rapportent la découverte d’émissions en rayons X à proximité d’un trou noir dans son horizon des évènements. On a pu calculer le spin du trou noir avec cette perturbation par effet de marée, une première expérimentale.


Cette illustration d'artiste montre des gaz chauds orbitant comme un disque autour d'un trou noir. La tache allongée représente une région brillante aux rayons X dans le disque, ce qui permet d’estimer la rotation du trou noir - Crédit : NASA/CXC/M. Weiss

Le 22 novembre 2014, les astronomes ont repéré un événement rare dans le ciel nocturne: un au centre d’une galaxie, à près de 300 millions d’années lumière de la Terre, qui était en train de dévorer une qui passait. L’événement, connu sous le nom de rupture par effet de marée, provoquant une traction de marée massive du qui déchire une étoile, a provoqué une explosion d’activité des rayons X près du centre de la galaxie. Depuis lors, de nombreux observatoires se sont penchés sur l’événement, dans l’espoir d’en savoir plus sur l’alimentation des trous noirs.

Une rupture par effet de marée d’un trou noir

Aujourd’hui, des chercheurs du MIT et d’ailleurs ont étudié les données de l’observation de plusieurs télescopes et découvert une impulsion ou un signal curieusement intense, stable et périodique des rayons X, dans tous les ensembles de données. Le signal semble émaner d’une zone très proche de l’ du trou noir, le point au-delà duquel le matériau est avalé de manière inéluctable par le trou noir. Le signal semble se renforcer et s’affaiblir périodiquement toutes les 131 secondes et persiste pendant au moins 450 jours.

Les chercheurs estiment que l’objet qui émet le signal périodique doit orbiter autour du trou noir, juste en dehors de l’horizon des événements, près de l’orbite circulaire stable interne, ou ISCO, la plus petite orbite sur laquelle une particule peut se déplacer en toute sécurité autour d’un trou noir. Compte tenu de la proximité stable du signal avec le trou noir et de la masse du trou noir, que les chercheurs estimaient auparavant environ 1 million de fois supérieure à celle du soleil, l’équipe a calculé que le trou noir tournait à environ 50 % de la .

La perturbation par effet de marée pour calculer le spin d’un trou noir

Les résultats, publiés dans la revue Science, sont la première démonstration de l’utilisation d’une perturbation par effet de marée, pour estimer la rotation d’un trou noir. Le premier auteur de l’étude, Dheeraj Pasham, postdoc à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT, a déclaré que la plupart des trous noirs supermassifs sont en sommeil et n’émettent généralement pas beaucoup de rayons X.

Ce n’est que de temps en temps qu’ils relâchent une activité intense, par exemple lorsque les étoiles se rapprochent suffisamment pour que les trous noirs les dévorent. Maintenant, dit-il, compte tenu des résultats de l’équipe, de telles éruptions de perturbation par effet de marée peuvent être utilisées pour estimer le spin des trous noirs supermassifs, une caractéristique qui était jusqu’à présent incroyablement délicate à cerner.

Les événements dans lesquels les trous noirs déchirent les étoiles trop proches pourraient nous aider à cartographier les spins de plusieurs trous noirs supermassifs qui sont en sommeil et cachés au centre des galaxies, explique Pasham. Cela pourrait nous aider à comprendre comment les galaxies ont évolué au cours du temps.

Un vrai signal

Les modèles théoriques des éruptions de perturbation par effet de marée montrent que lorsqu’un trou noir déchire une étoile, une partie de la matière de cette étoile peut rester en dehors de l’horizon des événements, tournant au moins temporairement sur une orbite stable telle que l’ISCO et produisent des émissions périodiques de rayons X avant d’être finalement absorbé par le trou noir. La périodicité des émissions de rayons X code donc des informations essentielles sur la taille de la ISCO, elle-même dictée par la vitesse de rotation du trou noir.

Pasham et ses collègues pensaient que s’ils pouvaient voir de tels émissions régulières tout près d’un trou noir qui venait de subir une perturbation par effet de marée, ces signaux pourraient leur donner une idée de la vitesse de la rotation du trou noir. Ils ont concentré leurs recherches sur ASASSN-14li, l’événement de perturbation par effet de marée identifié par les astronomes en novembre 2014, à l’aide du All-Sky Automated Survey for SuperNovae (ASASSN).

Une explosion intense de rayons X

Ce système est intéressant, car nous pensons que c’est une référence pour les émissions pour les perturbations par effet de marée, a déclaré Pasham. Cet événement particulier semble correspondre à de nombreuses prédictions théoriques. L’équipe a examiné les ensembles de données archivés de trois observatoires ayant recueilli des mesures aux rayons X de l’événement depuis sa découverte: l’observatoire spatial XMM-Newton de l’Agence spatiale européenne et les observatoires spatiaux Chandra et Swift de la NASA.

Pasham avait précédemment mis au point un code informatique pour détecter les tendances périodiques dans les données astrophysiques, mais pas spécifiquement pour les événements de perturbation des marées. Il a décidé d’appliquer son code aux trois ensembles de données pour ASASSN-14li, afin de voir si des modèles périodiques communs remonteraient à la surface.

Ce qu’il a observé était une explosion de rayons X étonnamment intense, stable et périodique, qui semblait provenir de très près du bord du trou noir. Le signal émis toutes les 131 secondes, pendant plus de 450 jours, était extrêmement intense, environ 40 % au-dessus de la luminosité moyenne des rayons X du trou noir. Au début, je n’y croyais pas parce que le signal était si fort, déclare Pasham. Mais nous l’avons vu dans les trois télescopes. Donc à la fin, le signal était réel.

Sur la base des propriétés du signal, de la masse et de la taille du trou noir, l’équipe a estimé que le trou noir tournait au moins à 50 % de la vitesse de la lumière. Ce n’est pas très rapide. Il existe d’autres trous noirs dont la vitesse de rotation est estimée à près de 99% celle de la lumière, déclare Pasham. Mais c’est la première fois que nous sommes en mesure d’utiliser des émissions de perturbation par effet de marée pour calculer les spins de trous noirs supermassifs.

Illuminer l’invisible

Une fois que Pasham a découvert le signal périodique, il incombait aux théoriciens de l’équipe de trouver une explication à ce qui l’avait éventuellement généré. L’équipe a proposé divers scénarios, mais celui qui semble le plus susceptible de générer une éruption radiographique aussi puissante et régulière n’implique pas seulement un trou noir déchiquetant une étoile qui passe, mais également un type plus petit d’étoile, appelée une naine blanche, gravitant autour du trou noir.

Une telle a peut-être encerclé le trou noir supermassif en ISCO, l’orbite circulaire la plus interne et stable, pendant un certain temps. Seule, elle n’aurait pas suffi pour émettre une quelconque radiation détectable. À toutes fins pratiques, la aurait été invisible pour les télescopes alors qu’elle entourait le trou noir en rotation, relativement inactif.

La deuxième étoile et la naine blanche

Vers le 22 novembre 2014, une deuxième étoile est passée suffisamment près du système pour que le trou noir le déchire avec une rupture par effet de marée qui a émis une quantité énorme de rayons X, sous la forme de matériau stellaire chaud. Quand le trou noir a attiré ce matériau vers l’intérieur, certains débris stellaires sont tombés dans le trou noir tandis que d’autres sont restés juste à l’extérieur, dans l’orbite la plus interne stable, la même orbite dans laquelle tournait la naine blanche.

Lorsque la naine blanche est entré en contact avec ce matériau stellaire chaud, il l’a probablement entraîné comme un manteau lumineux, éclairant la naine blanche avec une quantité intense de rayons X à chaque fois qu’il faisait le tour du trou noir, toutes les 131 secondes.

Un événement rare

Les scientifiques admettent qu’un tel scénario serait extrêmement rare et ne durerait que plusieurs centaines d’années au maximum, qui est un clin d’oeil à l’échelle cosmique. Les chances de détecter un tel scénario seraient extrêmement minces. Le problème avec ce scénario est que, si vous avez un trou noir avec une masse qui est 1 million de fois supérieure à celle du soleil et qu’une naine blanche le contourne, alors à un moment donné sur quelques centaines d’années seulement, la naine blanche plongera dans le trou noir, dit Pasham. Nous aurions été extrêmement chanceux de trouver un tel système. Mais au moins en ce qui concerne les propriétés du système, ce scénario semble fonctionner.

La signification primordiale des résultats est qu’ils montrent qu’il est possible de calculer la rotation d’un trou noir, à partir d’événements de perturbation des marées, selon Pasham. À l’avenir, il espère identifier des modèles stables similaires dans d’autres événements de destruction d’étoiles, à partir de trous noirs situés plus loin dans le temps et l’espace.

Au cours de la prochaine décennie, nous espérons détecter davantage d’événements de ce type, a déclaré Pasham. Il serait utile d’estimer le nombre de spins de plusieurs trous noirs depuis le début jusqu’à maintenant pour déterminer s’il existe ou non une relation entre la rotation et l’âge des trous noirs.

Trous noirs et distorsions du temps : L’héritage sulfureux d’Einstein (Poche)

By (author):  Kip S. Thorne

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Houssen Moshinaly

Rédacteur en chef d'Actualité Houssenia Writing. Rédacteur web depuis 2009 et vulgarisateur scientifique.

Je m'intéresse à tous les sujets scientifiques allant de l'Archéologie à la Zoologie. Je ne suis pas un expert, mais j'essaie d'apporter mes avis éclairés sur de nombreux sujets scientifiques.

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