Dans une galaxie lointaine, les panaches de gaz intermittents d'un trou noir supermassif ont conduit à la découverte d'un trou noir plus petit sur son orbite, remettant en question les théories conventionnelles des disques d'accrétion de trous noirs et suggérant que de tels systèmes dynamiques pourraient être plus courants. Crédit : Issues.fr.com
L'analyse révèle un tout petit trou noir perçant à plusieurs reprises le disque de gaz d’un trou noir plus grand.
Au cœur d’une galaxie lointaine, un trou noir supermassif semble avoir eu le hoquet.
Les astronomes de MITl'Italie, la République tchèque et d'autres pays ont découvert qu'un trou noir auparavant silencieux, situé au centre d'une galaxie à environ 800 millions d'années-lumière, est soudainement entré en éruption, dégageant des panaches de gaz tous les 8,5 jours avant de revenir à son état normal et calme.
Les hoquets périodiques sont un nouveau comportement qui n’a pas été observé jusqu’à présent dans les trous noirs. Les scientifiques pensent que l'explication la plus probable de ces explosions provient d'un deuxième trou noir, plus petit, qui tourne autour du trou noir supermassif central et projette de la matière hors du disque de gaz du plus grand trou noir tous les 8,5 jours.
Les scientifiques ont découvert un grand trou noir qui « a le hoquet », dégageant des panaches de gaz. L'analyse a révélé qu'un petit trou noir perçait à plusieurs reprises le disque de gaz du plus grand trou noir, provoquant la libération des panaches. De puissants champs magnétiques, au nord et au sud du trou noir et représentés par le cône orange, projettent le panache vers le haut et hors du disque. Chaque fois que le plus petit trou noir perce le disque, il éjecte un autre panache, selon un motif régulier et périodique. Crédit : José-Luis Olivares, MIT
Des théories contestables sur les trous noirs
Les conclusions de l'équipe, publiées le 27 mars dans la revue Avancées scientifiques, remettent en question l’image conventionnelle des disques d’accrétion de trous noirs, que les scientifiques pensaient être des disques de gaz relativement uniformes tournant autour d’un trou noir central. Les nouveaux résultats suggèrent que les disques d’accrétion pourraient avoir un contenu plus varié, pouvant contenir d’autres trous noirs et même des étoiles entières.
« Nous pensions en savoir beaucoup sur les trous noirs, mais cela nous dit qu'ils peuvent faire beaucoup plus de choses », déclare l'auteur de l'étude, Dheeraj « DJ » Pasham, chercheur à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT. « Nous pensons qu'il y aura beaucoup plus de systèmes comme celui-ci, et nous avons simplement besoin de plus de données pour les trouver. »
Une simulation informatique d'un trou noir de masse intermédiaire en orbite autour d'un trou noir supermassif et entraînant des panaches de gaz périodiques qui peuvent expliquer les observations. Crédit : Petra Sukova, Institut Astronomique du CAS
Les co-auteurs de l'étude au MIT comprennent le postdoctorant Peter Kosec, l'étudiante diplômée Megan Masterson, la professeure agrégée Erin Kara, le chercheur scientifique principal Ronald Remillard et l'ancien chercheur Michael Fausnaugh, ainsi que des collaborateurs de plusieurs institutions, dont l'Université Tor Vergata de Rome, le Institut astronomique de l'Académie tchèque des sciences et Université Masaryk en République tchèque.
« Utilise le ou perd le »
Les découvertes de l'équipe sont le résultat d'une détection automatisée par ASAS-SN (All Sky Automated Survey for SuperNovae), un réseau de 20 télescopes robotiques situés à divers endroits dans les hémisphères nord et sud. Les télescopes surveillent automatiquement l'ensemble du ciel une fois par jour à la recherche de signes de supernovae et d'autres phénomènes transitoires.
En décembre 2020, l’enquête a repéré un éclat de lumière dans une galaxie située à environ 800 millions d’années-lumière. Cette partie particulière du ciel était relativement calme et sombre jusqu'à la détection des télescopes, lorsque la galaxie s'est soudainement éclaircie d'un facteur 1 000. Pasham, qui a vu la détection signalée dans une alerte communautaire, a choisi de se concentrer sur la fusée éclairante avec NASANICER (the Neutron star Interior Composition Explorer), un télescope à rayons X à bord du Station spatiale internationale qui surveille en permanence le ciel à la recherche d'éclats de rayons X qui pourraient signaler l'activité des étoiles à neutrons, des trous noirs et d'autres phénomènes gravitationnels extrêmes. Le moment était fortuit, car on approchait de la fin de la période d'un an pendant laquelle Pasham avait la permission de pointer, ou de « déclencher », le télescope.
«C'était soit l'utiliser, soit le perdre, et cela s'est avéré être ma chance la plus chanceuse», dit-il.
Il a entraîné NICER à observer la galaxie lointaine alors qu'elle continuait son éruption. L'explosion a duré environ quatre mois avant de s'essouffler. Pendant cette période, NICER a mesuré quotidiennement et à haute cadence les émissions de rayons X de la galaxie. Lorsque Pasham a examiné attentivement les données, il a remarqué une curieuse tendance au sein de la poussée de quatre mois : de subtiles baisses, dans une bande très étroite de rayons X, qui semblaient réapparaître tous les 8,5 jours.
Il semblait que l'explosion d'énergie de la galaxie diminuait périodiquement tous les 8,5 jours. Le signal est similaire à ce que les astronomes voient lorsqu'une planète en orbite passe devant son étoile hôte, bloquant brièvement la lumière de l'étoile. Mais aucune étoile ne serait capable de bloquer une éruption provenant d’une galaxie entière.
« Je me demandais ce que cela signifiait, car ce modèle ne correspond à rien de ce que nous savons sur ces systèmes », se souvient Pasham.
Frappez-le
Alors qu'il cherchait une explication aux baisses périodiques, Pasham est tombé sur un article récent rédigé par des physiciens théoriciens de la République tchèque. Les théoriciens avaient calculé séparément qu'il serait possible, en théorie, qu'un trou noir supermassif central d'une galaxie héberge un deuxième trou noir, beaucoup plus petit. Ce petit trou noir pourrait orbiter selon un angle par rapport au disque d’accrétion de son plus grand compagnon.
Comme l'ont proposé les théoriciens, le trou secondaire percerait périodiquement le disque du trou noir primaire au cours de son orbite. Ce faisant, il libérerait un panache de gaz, comme une abeille volant à travers un nuage de pollen. De puissants champs magnétiques, au nord et au sud du trou noir, pourraient alors projeter le panache vers le haut et hors du disque. Chaque fois que le plus petit trou noir perce le disque, il éjecte un autre panache, selon un motif régulier et périodique. Si ce panache pointait dans la direction d'un télescope d'observation, celui-ci pourrait observer le panache comme une baisse de l'énergie globale de la galaxie, bloquant brièvement la lumière du disque de temps en temps.
« J'étais très enthousiasmé par cette théorie et je leur ai immédiatement envoyé un e-mail pour leur dire : 'Je pense que nous observons exactement ce que prédisait votre théorie' », explique Pasham.
Lui et les scientifiques tchèques se sont associés pour tester l'idée, avec des simulations intégrant les observations de NICER sur l'explosion initiale et les baisses régulières de 8,5 jours. Ce qu’ils ont trouvé conforte la théorie : l’explosion observée était probablement le signal d’un deuxième trou noir, plus petit, en orbite autour d’un trou noir supermassif central et perçant périodiquement son disque.
Plus précisément, l’équipe a découvert que la galaxie était relativement calme avant la détection de décembre 2020. L’équipe estime que le trou noir supermassif central de la galaxie est aussi massif que 50 millions de soleils. Avant l'explosion, le trou noir pouvait avoir un disque d'accrétion diffus et faible tournant autour de lui, alors qu'un deuxième trou noir, plus petit, mesurant 100 à 10 000 masses solaires, tournait dans une relative obscurité.
Les chercheurs soupçonnent qu'en décembre 2020, un troisième objet – probablement une étoile proche – s'est rapproché trop près du système et a été déchiqueté par l'immense gravité du trou noir supermassif – un événement que les astronomes appellent un « événement de perturbation des marées ». L'afflux soudain de matière stellaire a momentanément éclairé le disque d'accrétion du trou noir alors que les débris de l'étoile tourbillonnaient dans le trou noir. Pendant quatre mois, le trou noir s’est régalé des débris stellaires tandis que le deuxième trou noir poursuivait son orbite. En perçant le disque, il a éjecté un panache beaucoup plus grand qu'il ne le ferait normalement, qui s'est produit directement vers la lunette de NICER.
L'équipe a réalisé de nombreuses simulations pour tester les baisses périodiques. L’explication la plus probable, concluent-ils, est un nouveau type de système David et Goliath – un minuscule trou noir de masse intermédiaire, tournant autour d’un trou noir supermassif.
« C'est une bête différente », dit Pasham. « Cela ne correspond à rien de ce que nous savons sur ces systèmes. Nous observons des preuves d'objets entrant et traversant le disque, sous différents angles, ce qui remet en question l'image traditionnelle d'un simple disque gazeux autour de trous noirs. Nous pensons qu’il existe une énorme population de ces systèmes.
« C'est un brillant exemple de la façon d'utiliser les débris d'une étoile perturbée pour éclairer l'intérieur d'un noyau galactique qui autrement resterait sombre. Cela revient à utiliser un colorant fluorescent pour détecter une fuite dans un tuyau », explique Richard Saxton, astronome en rayons X du Centre européen d'astronomie spatiale (ESAC) de Madrid, qui n'a pas participé à l'étude. « Ce résultat montre que des trous noirs supermassifs très proches pourraient être communs dans les noyaux galactiques, ce qui constitue un développement très intéressant pour les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles. »
Cette recherche a été financée en partie par la NASA.
