Une étoile est venue trop près d’un trou noir. Ça ne s’est pas bien terminé

Les trous noirs sont des objets déroutants qui poussent la physique à ses limites. Les plus massives se cachent au centre de grandes galaxies comme la nôtre. Ils dominent le centre galactique, et lorsqu’une étoile se rapproche trop, la puissante force gravitationnelle du trou noir déchire l’étoile alors qu’ils s’en nourrissent. Même les étoiles les plus massives ne peuvent résister.

Mais les trous noirs supermassifs (SMBH) n’ont pas commencé aussi massifs. Ils ont atteint leur masse gargantuesque en accrétant de la matière sur de vastes périodes de temps et en fusionnant avec d’autres trous noirs.

Il existe de grands vides dans notre compréhension de la croissance et de l’évolution des SMBH, et les astrophysiciens comblent ces vides en observant les trous noirs lorsqu’ils consomment des étoiles.

Tout le monde sait que nous ne pouvons pas observer directement les trous noirs car même la lumière ne peut s’en échapper. Mais les trous noirs exercent un contrôle quasi total sur leur environnement immédiat, et comme ils plient la matière près d’eux à leur guise, cette matière crée un spectacle de lumière sur plusieurs longueurs d’onde.

Les astronomes disposent d’outils puissants pour observer toute cette lumière. L’un d’eux est le NuSTAR de la NASA, le Réseau de télescopes spectroscopiques nucléaires. C’est un télescope spatial qui a été lancé en 2012. Il observe les rayons X de sources astrophysiques comme les SMBH.

NuSTAR a joué un rôle essentiel dans une nouvelle étude publiée dans l’Astrophysical Journal. Son titre est “L’événement de perturbation de la marée AT2021ehb : preuve de la réflexion relativiste du disque et de l’évolution rapide du système disque-couronne.” L’auteur principal est Yuhan Yao, un étudiant diplômé de Caltech.

Lorsqu’un trou noir déchire une étoile qui s’en rapproche trop, cela s’appelle un événement de perturbation de marée (TDE.) AT2021ehb est le nom d’un TDE qui s’est produit dans un SMBH dans une galaxie à environ 250 millions d’années-lumière de la Terre. Le SMBH est environ 10 millions de fois plus massif que notre Soleil. C’est le cinquième exemple le plus proche d’un trou noir détruisant une étoile, et il a donné aux astrophysiciens une occasion avantageuse d’étudier les TDE avec NuSTAR et d’autres télescopes.

Les trous noirs sont parfois entourés de vastes disques de matière appelés disques d’accrétion. Les disques sont des accumulations de gaz qui se sont formées sur de longues périodes de temps, parfois des millénaires. Les disques peuvent mesurer des milliards de kilomètres de large et, lorsqu’ils tourbillonnent vers le trou noir, le gaz se réchauffe et peut éclipser des galaxies entières. Ce sont ces trous noirs que les astrophysiciens peuvent observer car, sans le disque et sa lumière, le trou noir n’est qu’un trou noir.

Même si le disque est brillant, lorsque le trou noir déchire une étoile et la consume, la lumière de ce TDE est toujours visible. Le TDE peut prendre aussi peu que quelques semaines ou mois du début à la fin, ce qui en fait des cibles viables pour l’observation. Les astrophysiciens s’intéressent particulièrement aux événements qu’ils peuvent observer dans leur intégralité pour des raisons évidentes.

Lorsque le trou noir de ce TDE a déchiré l’étoile condamnée, il y a eu une augmentation retardée mais spectaculaire des émissions de rayons X. Les rayons X sont un signal que le TDE créait un matériau surchauffé dans une structure au-dessus du trou noir appelée couronne. C’est là qu’intervient NuSTAR. En ce qui concerne les télescopes spatiaux, NuSTAR est le meilleur pour observer les rayons X en détail, et la proximité d’AT2021ehb avec nous a donné aux astrophysiciens une opportunité remarquable d’observer la couronne et ce qui arrive à la matière stellaire avant un trou noir totalement le dévore.

La région la plus proche du trou noir est très compacte. Cela chauffe le gaz à des températures extrêmes, éliminant les électrons des atomes et créant du plasma. La couronne est constituée de ce plasma d’un milliard de degrés. La cause exacte de sa formation est toujours à l’étude, mais elle a probablement quelque chose à voir avec les lignes de champ magnétique dans le disque d’accrétion. Les lignes sont prévisibles dans les régions extérieures du disque, mais plus près, les lignes de champ peuvent s’emmêler, se casser et se reconnecter. Cette activité pourrait tellement accélérer les particules qu’elles formeraient la couronne surchauffée et émettraient des rayons X.

Cette image illustre comment les lignes de champ magnétique sont disposées autour d'un trou noir.  Une étude de 2022 a montré que les trous noirs forment des couronnes avant de pouvoir émettre des jets.  Crédit d'image : M. Weiss/CfA
Cette image illustre comment les lignes de champ magnétique sont disposées autour d’un trou noir. Une étude de 2022 a montré que les trous noirs forment des couronnes avant de pouvoir émettre des jets. Crédit d’image : M. Weiss/CfA

“Les événements de perturbation des marées sont une sorte de laboratoire cosmique”, a déclaré le co-auteur de l’étude, Suvi Gezari, astronome au Space Telescope Science Institute de Baltimore. “Ils sont notre fenêtre sur l’alimentation en temps réel d’un énorme trou noir qui se cache au centre d’une galaxie.”

Un précédent étude 2022 dans Astronomie naturelle ont montré que lorsqu’un trou noir émet ses jets, il emporte avec eux des matériaux de la couronne. “Cela semble logique, mais il y a eu un débat pendant vingt ans pour savoir si la couronne et le jet étaient simplement la même chose”, a déclaré l’astrophysicien Mariano Méndez, qui était l’auteur principal de cette étude. “Maintenant, nous voyons qu’ils surgissent les uns après les autres et que le jet découle de la couronne.”

Mais cette étude n’était pas basée sur des observations d’un TDE. Cette étude a poussé notre compréhension encore plus loin, montrant le lien entre une étoile qui s’est trop rapprochée d’un trou noir et la formation de la couronne, le précurseur de la formation d’un trou noir. jets relativistes.

Lorsqu’une étoile s’approche trop près d’un trou noir, le côté de l’étoile le plus proche du trou se déchire en premier. Cela détruit la forme sphérique de l’étoile et crée un flux de gaz qui s’écoule vers le disque d’accrétion du trou noir et commence à tourbillonner autour du trou. Alors que le flux de matière tourne autour du trou, il entre en collision avec lui-même. Les scientifiques pensent que les collisions créent des ondes de choc et des flux de gaz vers l’extérieur. Ces flux émettent de la lumière sur tout le spectre, y compris les rayons UV et X.

Cette illustration montre un flux de matière rougeoyante provenant d'une étoile, déchirée en lambeaux alors qu'elle était dévorée par un trou noir supermassif.  NASA/JPL-Caltech
Cette illustration montre un flux de matière rougeoyante provenant d’une étoile, déchirée en lambeaux alors qu’elle était dévorée par un trou noir supermassif. NASA/JPL-Caltech

Finalement, le matériau s’installe et ses émissions lumineuses se calment également. Il a fallu environ 100 jours pour que l’étoile soit déchirée, pour que le matériau se réchauffe, puis se refroidisse. Le Zwicky Transient Facility (ZTF) a été le premier à repérer le TDE le 1er mars 2021. Ensuite, l’observatoire Swift de la NASA et Étoile à neutrons Explorateur de composition intérieure (NICER) ont effectué leurs propres observations. Chacun d’eux est plus sensible aux différentes longueurs d’onde de la lumière, et lorsqu’ils travaillent ensemble, ils donnent des images plus complètes d’événements astrophysiques complexes comme les TDE.

Mais après la période initiale de chauffage puis de refroidissement, quelque chose d’inattendu s’est produit.

Environ 300 jours après que ZTF ait repéré pour la première fois le trou noir détruisant l’étoile, NuSTAR de la NASA a effectué ses propres observations. NuSTAR a trouvé la couronne chaude, mais les scientifiques ont été surpris lorsqu’il n’y avait pas de jets. Les couronnes apparaissent généralement avec des jets relativistes provenant des côtés opposés d’un trou noir.

“Nous n’avons jamais vu un événement de perturbation des marées avec une émission de rayons X comme celui-ci sans un jet présent, et c’est vraiment spectaculaire car cela signifie que nous pouvons potentiellement démêler ce qui cause les jets et ce qui cause les couronnes”, a déclaré l’auteur principal Yuhan Yao. “Nos observations d’AT2021ehb sont en accord avec l’idée que les champs magnétiques ont quelque chose à voir avec la formation de la couronne, et nous voulons savoir ce qui rend ce champ magnétique si fort.”

Cette figure de l'étude montre une partie de la lumière du TDE détectée dans différentes longueurs d'onde par différents observatoires.  Le panneau supérieur montre les pics de lumière UV et optique vers le début de l'événement, puis le soir.  Mais le panneau du milieu montre le pic d'émissions de rayons X observé par NuSTAR (violet). La couronne chaude a créé les émissions de rayons X.  Crédit d'image : Yuhan Yao et al 2022
Cette figure de l’étude montre une partie de la lumière du TDE détectée dans différentes longueurs d’onde par différents observatoires. Le panneau supérieur montre les pics de lumière UV et optique vers le début de l’événement, puis le soir. Mais le panneau du milieu montre le pic d’émissions de rayons X observé par NuSTAR (violet). La couronne chaude a créé les émissions de rayons X. Crédit image : Yuhan Yao et al 2022 ApJ 937 8

AT2021ehb est différent des autres TDE observés. Il est plus lumineux que tout autre TDE sans jet. La luminosité a culminé à 30 keV, soit 300 millions de degrés. Sa luminosité a permis aux chercheurs de “… obtenir une série de spectres de rayons X de haute qualité, y compris le premier spectre de rayons X durs d’un TDE non projeté jusqu’à 30 keV”, écrivent les auteurs dans leur article.

Ce chiffre de l'étude montre à quel point AT2021ehb est plus brillant que 30 autres TDE non projetés également détectés par le ZTF.  Il compare la luminosité dans ce qu'on appelle la bande g.  La bande g est la longueur d'onde optique de la lumière que nous voyons comme verte.  L'axe des ordonnées indique la magnitude absolue, qui est une échelle logarithmique inverse.  Ainsi, bien que AT2021ehb apparaisse sous les autres sur le graphique, il est en réalité beaucoup plus lumineux.  Crédit d'image : Yuhan Yao et al 2022 ApJ 937 8
Ce chiffre de l’étude montre à quel point AT2021ehb est plus brillant que 30 autres TDE non projetés également détectés par le ZTF. Il compare la luminosité dans ce qu’on appelle la bande g. La bande g est la longueur d’onde optique de la lumière que nous voyons comme verte. L’axe des ordonnées indique la magnitude absolue, qui est une échelle logarithmique inverse. Ainsi, bien que AT2021ehb apparaisse sous les autres sur le graphique, il est en réalité beaucoup plus lumineux. Crédit d’image : Yuhan Yao et al 2022 ApJ 937 8

Le comportement complexe de la lumière à travers le spectre brosse le tableau de ce qui se passe dans ces événements complexes. Cette étude établit un lien entre les TDE et la formation de la couronne d’un trou noir, puis, éventuellement, de ses jets. Mais ce n’est qu’un seul TDE, et les astrophysiciens ont besoin de plus d’observations de TDE pour mieux comprendre les relations entre les trois.

L’auteur principal Yao mène un effort pour trouver plus de TDE. Seules plus de données provenant de télescopes comme NuSTAR et d’autres peuvent renforcer notre compréhension des trous noirs, des TDE, des couronnes et des jets.

“Nous voulons en trouver autant que possible”, a déclaré Yao.

Suite:

Leave a Comment