La lumière polarisée révèle le destin final d’une étoile « spaghettifiée » par un trou noir

Lorsque les astronomes ont observé pour la première fois une étoile déchiquetée ou « spaghettifiée », après s’être approchée trop près d’un énorme trou noir en 2019, ils ont déterminé qu’une grande partie de la matière de l’étoile était lancée vers l’extérieur dans un vent puissant à partir de la lumière optique émise par l’explosion. . Maintenant, des astronomes de l’Université de Californie à Berkeley (UCB) ont analysé la polarisation de cette lumière pour déterminer que le nuage était probablement à symétrie sphérique, ajoutant une preuve supplémentaire de la présence de ce vent puissant.

« C’est la première fois que quelqu’un déduit la forme du nuage de gaz autour d’une étoile spaghettifiée par les marées », a déclaré le co-auteur Alex Filippenko, astronome d’UCB. Les dernières découvertes sont apparues dans un article récent publié dans les avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

Comme nous l’avons signalé précédemment, un objet qui passe au-delà de l’horizon des événements d’un trou noir, y compris la lumière, est englouti et ne peut pas s’échapper, bien que les trous noirs soient également des mangeurs désordonnés. Cela signifie qu’une partie de la matière d’un objet est en fait éjectée dans un jet puissant. Si cet objet est une étoile, le processus d’être déchiqueté (ou « spaghettifié ») par les puissantes forces gravitationnelles d’un trou noir se produit en dehors de l’horizon des événements, et une partie de la masse d’origine de l’étoile est éjectée violemment vers l’extérieur. Cela peut former un anneau de matière en rotation (c’est-à-dire un disque d’accrétion) autour du trou noir qui émet de puissants rayons X et de la lumière visible. Les jets sont un moyen pour les astronomes de déduire indirectement la présence d’un trou noir.

En 2018, les astronomes ont annoncé la première image directe des conséquences d’une étoile déchiquetée par un trou noir 20 millions de fois plus massif que notre Soleil dans une paire de galaxies en collision appelée Arp 299 à environ 150 millions d’années-lumière de la Terre. Un an plus tard, les astronomes ont enregistré l’agonie finale d’une étoile déchiquetée par un trou noir supermassif lors d’un tel « événement de perturbation des marées » (TDE), surnommé AT 2019qiz. L’étoile s’est déchirée, environ la moitié de sa masse s’alimentant – ou accrétant – dans un trou noir d’un million de fois la masse du Soleil, et l’autre moitié a été éjectée vers l’extérieur.

Ces puissants éclats de lumière sont souvent enveloppés derrière un rideau de poussière et de débris interstellaires, ce qui rend difficile pour les astronomes de les étudier plus en détail. Mais AT 2019qiz a été découvert peu de temps après que l’étoile ait été déchiquetée l’année dernière, ce qui a facilité son étude en détail, avant que ce rideau de poussière et de débris ne se soit complètement formé. Les astronomes ont effectué des observations de suivi sur tout le spectre électromagnétique au cours des six mois suivants, en utilisant plusieurs télescopes à travers le monde. Ces observations ont fourni la première preuve directe que le gaz sortant pendant la perturbation et l’accrétion produit les puissantes émissions optiques et radio observées précédemment.

Les astronomes savaient que la lumière optique émise avait une légère polarisation de 1 % sur la base des observations du télescope Shane de 3 mètres à l’observatoire Lick près de San Jose, en Californie ; l’observatoire comprend un spectrographe pour déterminer la polarisation de la lumière optique. La lumière se serait polarisée après avoir diffusé des électrons dans le nuage de gaz. Étant donné la distance à laquelle ces TDE ont tendance à être, ils apparaissent généralement comme un simple point lumineux, et la polarisation est l’une des rares propriétés faisant allusion à la forme des objets.

Selon le co-auteur Kishore Patra, une grande partie de la lumière émise par le disque d’accrétion aurait commencé dans le régime des rayons X, mais en traversant le nuage de gaz, cette lumière a continué à perdre de l’énergie grâce à diverses diffusions, absorptions et réémissions, émergeant éventuellement dans le régime optique. « La diffusion finale détermine alors l’état de polarisation du photon », a déclaré Patra. « Ainsi, en mesurant la polarisation, nous pouvons déduire la géométrie de la surface où se produit la diffusion finale. »

Sur la base des mesures de polarisation d’octobre 2019 montrant une polarisation nulle, les scientifiques de Berkeley ont calculé que la lumière provenait d’un nuage sphérique avec un rayon de surface d’environ 100 unités astronomiques (au), soit environ 100 fois plus grand que l’orbite terrestre. Cependant, des mesures prises un mois plus tard ont révélé une polarisation de 1% de la lumière, suggérant que le nuage s’était aminci et avait pris une légère asymétrie.

« Cette observation exclut une classe de solutions qui ont été proposées théoriquement et nous donne une contrainte plus forte sur ce qui arrive au gaz autour d’un trou noir », a déclaré Patra. « Les gens ont vu d’autres preuves de vent sortant de ces événements, et je pense que cette étude de polarisation renforce définitivement cette preuve, dans le sens où vous n’obtiendriez pas une géométrie sphérique sans avoir une quantité suffisante de vent. Le fait intéressant ici est qu’une fraction importante de la matière de l’étoile qui tourne vers l’intérieur ne finit pas par tomber dans le trou noir – elle est expulsée du trou noir.

DOI : Avis mensuels de la Royal Astronomical Society, 2022. 10.1093/mnras/stac1727 (À propos des DOI).