Écoutez les échos aux rayons X d’un trou noir alors qu’il dévore une étoile compagne

Les trous noirs se nourrissant d’étoiles compagnes peuvent passer par des cycles où ils émettent des explosions de haute énergie. Les astronomes du MIT utilisent les échos de rayons X de ces cycles pour cartographier l’environnement autour de ces objets exotiques, de la même manière que les chauves-souris cartographient leur environnement via l’écholocation. Les astronomes espèrent utiliser ces nouvelles données pour en savoir plus sur l’évolution de ces types de systèmes de trous noirs et, par extension, sur la formation des galaxies, selon un nouvel article publié dans l’Astrophysical Journal.

« Le rôle des trous noirs dans l’évolution des galaxies est une question en suspens dans l’astrophysique moderne », a déclaré le co-auteur Erin Kara du MIT. « Ces binaires de trous noirs semblent être des » mini « trous noirs supermassifs, et donc en comprenant les explosions dans ces petits systèmes proches, nous pouvons comprendre comment des explosions similaires dans des trous noirs supermassifs affectent les galaxies dans lesquelles ils résident. »

Comme nous l’avons signalé précédemment, c’est une idée fausse très répandue que les trous noirs se comportent comme des aspirateurs cosmiques, aspirant voracement toute matière dans leur environnement. En réalité, seules les choses qui passent au-delà de l’horizon des événements, y compris la lumière, sont englouties et ne peuvent pas s’échapper, bien que les trous noirs soient aussi des mangeurs salissants. Cela signifie qu’une partie de la matière d’un objet est éjectée dans un jet puissant.

Si cet objet est une étoile – telle que l’étoile compagne d’un système binaire de trou noir – le processus de déchiquetage (ou « spaghettification ») par les puissantes forces gravitationnelles d’un trou noir se produit en dehors de l’horizon des événements, et une partie de l’étoile la masse d’origine est éjectée violemment vers l’extérieur. Ce processus peut former un anneau de matière en rotation (alias un disque d’accrétion) autour du trou noir qui émet de puissants rayons X, de la lumière visible et parfois des ondes radio. Ces jets sont un moyen pour les astronomes de déduire indirectement la présence d’un trou noir.

L’équipe du MIT s’est particulièrement intéressée aux systèmes où l’étoile compagne est d’environ une masse solaire et présente des explosions cycliques sous la forme d’éclairs de rayons X. Selon les auteurs, la plupart des scientifiques pensent qu’un plasma chaud situé à proximité du trou noir, appelé couronne de rayons X, joue un rôle dans ces cycles, mais des questions subsistent sur la façon dont la couronne de rayons X se forme en premier lieu, comme ainsi que son évolution tout au long d’une explosion.

Les rayons X émis peuvent parfois se refléter sur le disque d’accrétion, créant des « échos » de l’émission initiale. Et la détection de ces échos offre une excellente occasion de suivre l’évolution du trou noir au fur et à mesure qu’il se nourrit. Plus précisément, il est possible d’estimer le décalage temporel entre le moment où un télescope détecte la lumière de la couronne et le moment où il capte les échos de rayons X et de surveiller comment ce décalage se déplace lorsque le système fonctionne à travers un cycle d’explosion.

Les astronomes avaient précédemment détecté des échos (ou réverbérations) de rayons X provenant de deux systèmes binaires dans la galaxie de la Voie lactée. Pour en savoir plus, l’équipe du MIT a développé un outil de recherche automatisé appelé « Reverberation Machine » et l’a utilisé pour analyser les données collectées par l’étoile Neutron Interior Composition Explorer (NICER) de la NASA à bord de l’ISS. La machine à réverbération a identifié 26 systèmes binaires de trous noirs candidats, et parmi ceux-ci, 10 (y compris les systèmes précédemment détectés) émettaient des échos de rayons X détectables.

Les huit nouveaux systèmes binaires de trous noirs émettant des échos variaient de cinq à 15 masses solaires, et toutes les étoiles compagnes avaient à peu près la taille de notre Soleil. « Pour autant que nous puissions en juger, le fait que nous ne voyons des détections que dans environ la moitié des trous noirs est dû à la qualité supérieure de leurs données, et non parce qu’ils sont particulièrement uniques », a déclaré Kara à Ars.

Que disent ces nouvelles données aux astronomes sur l’évolution d’un trou noir binaire lors d’une explosion ? L’équipe du MIT a pu construire une image raisonnablement universelle. Le système commence généralement dans un état relativement inactif. Au fur et à mesure que le matériau tombe plus rapidement sur le disque d’accrétion, l’émission de rayons X augmente également en luminosité, dominée par les rayons X « durs ». Cet « état dur » produit la couronne et un jet de particules émis dans l’espace à une vitesse proche de la lumière. Au cours de cette période, l’équipe a constaté que les délais entre l’émission et l’écho étaient courts et rapides, ne durant que quelques millisecondes.

Après plusieurs semaines, le cycle d’explosion a suivi son cours – parce que le trou noir a presque terminé son repas stellaire – produisant un dernier éclair dramatique avant qu’il n’entre dans un état « doux » à faible énergie, pour finalement revenir au repos. L’équipe du MIT a été intriguée de constater que, pendant cette transition, les décalages temporels sont devenus plus longs pour les 10 systèmes, impliquant une augmentation de la distance entre la couronne et le disque d’accrétion. Ils ont suggéré que cela pourrait résulter de l’expansion de la couronne lors de la dernière explosion à haute énergie.

« Nous sommes sur le point de pouvoir utiliser ces échos lumineux pour reconstruire les environnements les plus proches du trou noir », a déclaré Kara. « Maintenant, nous avons montré que ces échos sont couramment observés, et nous sommes en mesure de sonder les connexions entre le disque, le jet et la couronne d’un trou noir d’une nouvelle manière. »