Les astronomes observent comment un trou noir change quand une étoile est dévorée.

Publié par Simon Taquet le janvier 11, 2019 | Maj le janvier 11, 2019

Elle s’est produite le 11 mars de l’année dernière. Un instrument japonais à bord de la Station spatiale internationale (ISS) a détecté une énorme explosion de rayons X à près de 10 000 années-lumière de la Terre dans la constellation Lion. La lueur devint six fois plus brillante que celle de la nébuleuse du crabe, un vestige de supernova à mi-chemin sur la route. Les scientifiques ont déterminé que la source était un trou noir relativement petit, environ dix fois la masse du Soleil, piégé au milieu d’une explosion tout en dévorant une avalanche de gaz et de poussière provenant d’une étoile voisine.

Comment les trous noirs se forment

Les astronomes de l’Université du Maryland et du Massachusetts Institute of Technology ont détecté dans cette explosion des échos qui pourraient donner une indication sur la façon dont les trous noirs se forment au moment de l’alimentation. Dans une étude publiée mercredi dans la revue Nature et publiée lors de la réunion annuelle de l’American Astronomical Society à Seattle, Washington, l’équipe explique comment, lorsque le trou consomme d’énormes quantités de matière stellaire, sa couronne, le halo d’électrons hautement énergétiques qui l’entoure, se contracte considérablement, passant d’une extension d’environ 100 kilomètres à seulement 10 en un mois.

C’est la première fois que nous voyons le rétrécissement de la couronne pendant cette phase particulière de l’évolution de l’explosion, déclare Jack Steiner, chercheur à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale au MIT. “La couronne est encore assez mystérieuse, et nous ne savons toujours pas très bien de quoi il s’agit. Mais maintenant, nous avons la preuve que ce qui évolue dans le système, c’est la structure de la couronne elle-même, ajoute-t-il.

Un Everest par seconde

Le trou noir détecté le 11 mars a été nommé MAXI J1820 + 070, par l’instrument japonais qui l’a détecté, dédié à la surveillance du ciel entier pour les explosions et les éclairs radiographiques. En quelques jours seulement, le trou est passé de totalement inconnu à l’une des sources de rayons X les plus brillantes dans le ciel. Peu après, les chercheurs ont commencé à observer l’événement avec NICER, un autre instrument à bord de l’ISS, conçu en partie par le MIT, pour mesurer les photons de rayons X entrants.

Ce trou noir brillant et en plein essor est apparu sur la scène, et était presque complètement clair, alors nous avons une vue très nette de ce qui se passait, dit Steiner.

Une explosion typique peut se produire quand un trou noir suce une énorme quantité de matière à proximité. Ce matériau s’accumule autour du trou noir, dans un tourbillon rotatif connu sous le nom de disque d’accrétion, qui peut parcourir des millions de kilomètres. Le matériau dans le disque le plus proche du centre du trou noir tourne plus vite, générant une friction qui chauffe le disque. Ce disque peut souffrir d’avalanches et verser son gaz dans le trou noir central en une quantité par seconde équivalente à celle du Mont Everest. Et c’est à ce moment-là que l’explosion se déclenche, qui dure habituellement environ un an , explique Steiner.

Contraction de la couronne

L’équipe a pu recueillir des mesures extrêmement précises de l’énergie et de la synchronisation des photons radiographiques pendant l’explosion du trou noir. Ils ont surtout capté des échos entre les photons de basse énergie (ceux qui ont pu initialement être émis par le disque d’accrétion) et les photons de haute énergie (les rayons X qui ont probablement interagi avec les électrons de la couronne). Au cours d’un mois, les chercheurs ont observé que la durée de ces retards diminuait de façon significative, indiquant que la distance entre la couronne et le disque d’accrétion diminuait également, mais est-ce le disque ou la couronne qui bougeait ?

Pour y répondre, les chercheurs ont mesuré une signature que les astronomes appellent la ligne de fer, caractéristique que les atomes de fer émettent sur un disque d’accrétion seulement quand ils sont excités. Le fer peut donc mesurer la limite interne d’un disque d’accrétion.

Lorsque les chercheurs ont mesuré la ligne de fer tout au long de l’éclatement, ils n’ont trouvé aucun changement mesurable, ce qui suggère que le disque lui-même ne changeait pas de forme, mais restait relativement stable. En plus de la preuve d’un retard aux rayons X, ils ont conclu que ce devait être la couronne qui changeait et rétrécissait à la suite de l’explosion du trou noir.

“Nous voyons que la couronne commence comme un point gonflé de 100 kilomètres à l’intérieur du disque d’accumulation interne, puis réduit à environ 10 kilomètres, en environ un mois, dit Steiner. C’est le premier cas sans équivoque d’une couronne qui rétrécit lorsque le disque est stable, ajoute-t-il.

Supermassive

Auparavant, ces échos lumineux du disque d’accrétion interne ne se voyaient que dans des trous noirs super-massifs, qui ont des millions à des milliards de masses solaires et évoluent sur des millions d’années. Les trous noirs stellaires comme J1820 ont des masses beaucoup plus basses et évoluent beaucoup plus rapidement, de sorte que les scientifiques peuvent voir des changements dans les échelles de temps humaines.

Les résultats offrent de nouvelles perspectives sur une phase importante de l’explosion d’un trou noir, connue comme une transition entre un état dur, dominé par une énergie corona, et un état mou, régie par les émissions d’accrétion disque. En outre, si les scientifiques peuvent comprendre comment et pourquoi ces changements se produisent dans les trous noirs de masse stellaire sur une période de plusieurs semaines, ils pourraient acquérir de nouvelles connaissances sur la façon dont les trous noirs supermassifs évoluent sur des millions d’années et comment ils affectent les galaxies où ils résident.

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