L'année dernière, les astronomes ont découvert un trou noir au repos dans une galaxie éloignée qui a éclaté après avoir été déchiqueté et consommé une étoile qui passait. Maintenant, les chercheurs ont identifié un signal radiographique distinctif observé dans les jours suivant l'explosion qui provient de la matière sur le point de tomber dans le trou noir.
Ce signal révélateur, appelé oscillation quasi-périodique ou QPO, est une caractéristique des disques d'accrétion qui entourent souvent les objets les plus compacts de l'univers - les étoiles naines blanches, les étoiles à neutrons et les trous noirs. Des QPO ont été observés dans de nombreux trous noirs de masse stellaire, et il existe des preuves alléchantes pour eux dans quelques trous noirs qui peuvent avoir des masses moyennes entre 100 et 100 000 fois celles du soleil.
Jusqu'à la nouvelle découverte, des QPO avaient été détectés autour d'un seul trou noir supermassif - le type contenant des millions de masses solaires et situé au centre des galaxies. Cet objet est la galaxie de type Seyfert REJ 1034 + 396, qui à une distance de 576 millions d'années-lumière se trouve relativement proche.
«Cette découverte étend notre portée jusqu'au bord le plus profond d'un trou noir situé à des milliards d'années-lumière de distance, ce qui est vraiment incroyable. Cela nous donne l'occasion d'explorer la nature des trous noirs et de tester la relativité d'Einstein à une époque où l'univers était très différent de ce qu'il est aujourd'hui », a déclaré Rubens Reis, boursier postdoctoral Einstein à l'Université du Michigan à Ann Arbor. Reis a dirigé l'équipe qui a découvert le signal QPO en utilisant les données des télescopes à rayons X en orbite de Suzaku et XMM-Newton, une découverte décrite dans un article publié aujourd'hui dans Science Express.
La source de rayons X connue sous le nom de Swift J1644 + 57 - après ses coordonnées astronomiques dans la constellation Draco - a été découverte le 28 mars 2011 par le satellite Swift de la NASA. À l'origine, il était supposé être un type d'explosion plus commun appelé une rafale de rayons gamma, mais son atténuation progressive ne correspondait à rien de ce qui avait été vu auparavant. Les astronomes ont rapidement convergé sur l'idée que ce qu'ils voyaient était le résultat d'un événement vraiment extraordinaire - le réveil du trou noir dormant d'une galaxie lointaine alors qu'il déchiquetait et engloutissait une étoile qui passait. La galaxie est si éloignée que la lumière de l'événement a dû parcourir 3,9 milliards d'années avant d'atteindre la Terre.
Infos vidéo: Le 28 mars 2011, le Swift de la NASA a détecté des éruptions de rayons X intenses qui seraient causées par un trou noir dévorant une étoile. Dans un modèle, illustré ici, une étoile semblable au soleil sur une orbite excentrique plonge trop près du trou noir central de sa galaxie. Environ la moitié de la masse de l’étoile alimente un disque d’accrétion autour du trou noir, qui à son tour alimente un jet de particules qui rayonne vers la Terre. Crédit: Goddard Space Flight Center de la NASA / Conceptual Image Lab
L'étoile a connu des marées intenses lorsqu'elle a atteint son point le plus proche du trou noir et s'est rapidement déchirée. Une partie de son gaz est tombée vers le trou noir et a formé un disque autour de lui. La partie la plus intérieure de ce disque a été rapidement chauffée à des températures de millions de degrés, suffisamment chaudes pour émettre des rayons X. Dans le même temps, grâce à des processus encore mal compris, des jets dirigés de manière opposée et perpendiculaires au disque se sont formés près du trou noir. Ces jets ont projeté de la matière vers l'extérieur à des vitesses supérieures à 90% de la vitesse de la lumière le long de l'axe de rotation du trou noir. Un de ces jets vient de pointer directement vers la Terre.
Neuf jours après l'explosion, Reis, Strohmayer et leurs collègues ont observé Swift J1644 + 57 à l'aide de Suzaku, un satellite à rayons X exploité par la Japan Aerospace Exploration Agency avec la participation de la NASA. Une dizaine de jours plus tard, ils ont ensuite entamé une campagne de surveillance plus longue en utilisant l'observatoire XMM-Newton de l'Agence spatiale européenne.
«Parce que la matière dans le jet se déplaçait si rapidement et était inclinée presque dans notre champ de vision, les effets de la relativité ont suffisamment amplifié son signal radiographique pour que nous puissions capturer le QPO, qui autrement serait difficile à détecter à une si grande distance », A déclaré Tod Strohmayer, astrophysicien et co-auteur de l'étude au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland.
En tant que gaz chaud dans le disque le plus intérieur en spirale vers un trou noir, il atteint un point que les astronomes appellent l'orbite circulaire stable la plus intérieure (ISCO). Plus près du trou noir, le gaz plonge rapidement dans l'horizon des événements, point de non-retour. Le gaz en spirale vers l'intérieur a tendance à s'accumuler autour de l'ISCO, où il devient extrêmement chauffé et émet un flot de rayons X. La luminosité de ces rayons X varie selon un motif qui se répète à un intervalle presque régulier, créant le signal QPO.
Les données montrent que le QPO du Swift J1644 + 57 a cyclé toutes les 3,5 minutes, ce qui place sa région source entre 2,2 et 5,8 millions de miles (4 à 9,3 millions de km) du centre du trou noir, la distance exacte en fonction de la vitesse à laquelle le trou noir tourne. Pour mettre cela en perspective, la distance maximale n'est que d'environ 6 fois le diamètre de notre soleil. La distance entre la région QPO et l'horizon des événements dépend également de la vitesse de rotation, mais pour un trou noir tournant à la vitesse maximale autorisée, l'horizon est juste à l'intérieur de l'ISCO.
"Les QPO nous envoient des informations du bord même du trou noir, où les effets de la relativité deviennent les plus extrêmes", a déclaré Reis. «La capacité de mieux comprendre ces processus sur une si grande distance est un résultat vraiment magnifique et très prometteur.»
Légende de l'image principale: cette illustration met en évidence les principales caractéristiques du Swift J1644 + 57 et résume ce que les astronomes ont découvert à ce sujet. Crédit: Goddard Space Flight Center de la NASA
