Illustration d'un événement de perturbation de marée (TDE). Une nouvelle technique mise au point par des scientifiques du MIT et de la NASA utilise les oscillations du disque d'accrétion des TDE pour mesurer les spins des trous noirs, offrant ainsi un aperçu de leur évolution en suivant les éclairs de rayons X. Crédit : Carl Knox – OzGrav, Centre d'excellence ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles, Université de technologie de Swinburne
Des chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour sonder les trous noirs supermassifs et leur évolution à travers l’univers.
Des scientifiques à MIT, NASAet ailleurs ont développé une méthode pour mesurer trou noir Les chercheurs ont utilisé l'oscillation des disques d'accrétion résultant d'événements de perturbation par marée pour déterminer la rotation de l'atome. Cette technique, qui consiste à suivre les flashs de rayons X de ces événements, a révélé que la rotation d'un trou noir supermassif voisin était inférieure à 25 % de la vitesse de la lumière. Cette nouvelle approche pourrait aider à comprendre l'histoire évolutive des trous noirs à travers l'univers.
Nouvelle méthode pour mesurer les spins des trous noirs
Les astronomes ont une nouvelle façon de mesurer la vitesse de rotation d’un trou noir, en utilisant les conséquences bancales de son festin stellaire.
Cette méthode exploite l'effet de marée d'un trou noir, un moment extrêmement lumineux où un trou noir exerce des marées sur une étoile qui passe et la réduit en miettes. Lorsque l'étoile est perturbée par les immenses forces de marée du trou noir, la moitié de l'étoile est emportée, tandis que l'autre moitié est projetée autour du trou noir, générant un disque d'accrétion extrêmement chaud de matière stellaire en rotation.
Suivi des flashs de rayons X et de la rotation des trous noirs
L'équipe dirigée par le MIT a montré que l'oscillation du disque d'accrétion nouvellement créé est essentielle pour déterminer la rotation inhérente du trou noir central.
Dans une étude récemment publiée dans NatureLes astronomes ont indiqué avoir mesuré la rotation d'un trou noir supermassif proche en suivant le schéma des flashs de rayons X que le trou noir a produit immédiatement après un événement de perturbation par marée. L'équipe a suivi ces flashs pendant plusieurs mois et a déterminé qu'ils étaient probablement le signal d'un disque d'accrétion très chaud qui oscillait d'avant en arrière alors qu'il était poussé et tiré par la rotation du trou noir lui-même.
En suivant l'évolution de l'oscillation du disque au fil du temps, les scientifiques ont pu déterminer dans quelle mesure le disque était affecté par la rotation du trou noir et, par conséquent, à quelle vitesse le trou noir lui-même tournait. Leur analyse a montré que le trou noir tournait à moins de 25 % de la vitesse de la lumière – relativement lente, comme le font les trous noirs.
Mesurer l'évolution des trous noirs
L'auteur principal de l'étude, Dheeraj « DJ » Pasham, chercheur au MIT, affirme que la nouvelle méthode pourrait être utilisée pour évaluer les spins de centaines de trous noirs dans l'univers local dans les années à venir. Si les scientifiques parviennent à étudier les spins de nombreux trous noirs proches, ils pourront commencer à comprendre comment les géants gravitationnels ont évolué au cours de l’histoire de l’univers.
« En étudiant plusieurs systèmes dans les années à venir avec cette méthode, les astronomes peuvent estimer la distribution globale des spins des trous noirs et comprendre la question de longue date de leur évolution au fil du temps », explique Pasham, qui est membre de l'Institut Kavli pour l'astrophysique et la recherche spatiale du MIT.
Les co-auteurs de l'étude comprennent des collaborateurs d'un certain nombre d'institutions, dont la NASA, l'Université Masaryk du République tchèquel'Université de Leeds, l'Université de Syracuse, l'Université de Tel Aviv, l'Académie polonaise des sciences et ailleurs.

Cette figure schématique illustre la précession d'un disque d'accrétion formé à partir des débris d'une étoile perturbée autour d'un trou noir supermassif (SMBH). Le panneau de gauche montre la phase de précession lorsque le disque d'accrétion est proche d'une configuration de bord, ce qui se traduit par une zone de disque plus petite observée et donc une luminosité plus faible. L'observateur peut voir principalement les parties extérieures plus froides du disque en précession. Le panneau de droite illustre une phase de précession presque de face, lorsque la zone visible du disque est plus grande et donc que la luminosité augmente également. Les parties intérieures plus chaudes du disque sont alors entièrement exposées. Crédit : Avec l'aimable autorisation de Michal Zajacek et Dheeraj Pasham
Aperçu des événements de perturbation des marées
Chaque trou noir a une rotation inhérente qui a été façonnée par ses rencontres cosmiques au fil du temps. Si, par exemple, un trou noir s’est développé principalement par accrétion – de brefs instants où de la matière tombe sur le disque, cela fait tourner le trou noir à des vitesses assez élevées. En revanche, si un trou noir se développe principalement en fusionnant avec d’autres trous noirs, chaque fusion pourrait ralentir les choses à mesure que la rotation d’un trou noir se heurte à celle de l’autre.
Lorsqu'un trou noir tourne sur lui-même, il entraîne l'espace-temps environnant avec lui. Cet effet d'entraînement est un exemple de précession de Lense-Thirring, une théorie de longue date qui décrit la manière dont des champs gravitationnels extrêmement puissants, tels que ceux générés par un trou noir, peuvent attirer l'espace et le temps environnants. Normalement, cet effet ne serait pas évident autour des trous noirs, car ces objets massifs n'émettent pas de lumière.
Mais ces dernières années, des physiciens ont suggéré que, dans des cas comme celui d'un événement de perturbation par effet de marée, les scientifiques pourraient avoir la possibilité de suivre la lumière des débris stellaires pendant qu'ils sont entraînés. Ils pourraient alors espérer mesurer la rotation du trou noir.
En particulier, lors d'une TDE, les scientifiques prédisent qu'une étoile peut tomber sur un trou noir de n'importe quelle direction, générant un disque de matière blanche et déchiquetée qui pourrait être incliné ou désaligné par rapport à la rotation du trou noir. (Imaginez le disque d'accrétion comme un beignet incliné qui tourne autour d'un trou de beignet qui a sa propre rotation séparée.) Lorsque le disque rencontre la rotation du trou noir, il oscille lorsque le trou noir l'attire dans son alignement. Finalement, l'oscillation s'atténue lorsque le disque se stabilise dans la rotation du trou noir. Les scientifiques ont prédit que le disque oscillant d'une TDE devrait donc être une signature mesurable de la rotation du trou noir.
« Mais la clé était d'avoir les bonnes observations », explique Pasham. « La seule façon d'y parvenir est que, dès qu'un événement de perturbation de marée se produit, vous ayez besoin d'un télescope pour observer cet objet en continu, pendant très longtemps, afin de pouvoir sonder toutes sortes d'échelles de temps, depuis quelques minutes. à des mois. »
Une capture à haute cadence
Au cours des cinq dernières années, Pasham a recherché des événements de perturbation par marée suffisamment brillants et suffisamment proches pour être rapidement suivis et dépistés à la recherche de signes de précession de Lense-Thirring. En février 2020, lui et ses collègues ont eu de la chance, avec la détection d'AT2020ocn, un flash brillant, émanant d'une galaxie située à environ un milliard d'années-lumière, qui a été initialement repéré dans la bande optique par le Zwicky Transient Facility.
D'après les données optiques, le flash semble être les premiers instants suivant un TDE. Étant à la fois brillant et relativement proche, Pasham a soupçonné que le TDE pourrait être le candidat idéal pour rechercher des signes d'oscillation du disque et éventuellement mesurer la rotation du trou noir au centre de la galaxie hôte. Mais pour cela, il aurait besoin de beaucoup plus de données.
« Nous avions besoin de données rapides et à cadence élevée », explique Pasham. « L’essentiel était de détecter cela le plus tôt possible, car cette précession, ou oscillation, ne devait être présente qu’au début. Plus tard, et le disque ne vacillerait plus. »
L'équipe a découvert que le télescope NICER de la NASA était capable de capter le TDE et de le surveiller en permanence pendant des mois. NICER – abréviation de Neutron star Interior Composition ExploreR – est un télescope à rayons X situé sur le Station spatiale internationale qui mesure le rayonnement X autour des trous noirs et d’autres objets gravitationnels extrêmes.
Pasham et ses collègues ont étudié les observations de l'AT2020ocn par le NICER pendant plus de 200 jours après la détection initiale de l'événement de perturbation par marée. Ils ont découvert que l'événement émettait des rayons X qui semblaient atteindre un pic tous les 15 jours, pendant plusieurs cycles, avant de finalement s'essouffler. Ils ont interprété les pics comme des moments où le disque d'accrétion du TDE oscillait de face, émettant des rayons X directement vers le télescope du NICER, avant de s'éloigner en continuant à émettre des rayons X (comme si l'on agitait une lampe de poche vers et loin de quelqu'un tous les 15 jours).
Conclusion et perspectives d'avenir
Les chercheurs ont repris ce schéma d'oscillation et l'ont intégré à la théorie originale de la précession de Lense-Thirring. En se basant sur les estimations de la masse du trou noir et de celle de l'étoile perturbée, ils ont pu estimer la rotation du trou noir, soit moins de 25 % de la vitesse de la lumière.
Leurs résultats marquent la première fois que des scientifiques utilisent les observations d'un disque oscillant suite à une perturbation due à une marée pour estimer la rotation d'un trou noir.
« Les trous noirs sont des objets fascinants et les flux de matière que nous voyons tomber sur eux peuvent générer certains des événements les plus lumineux de l’univers », explique Chris Nixon, co-auteur de l’étude et professeur associé de physique théorique à l’Université de Leeds. « Bien qu’il y ait encore beaucoup de choses que nous ne comprenons pas encore, il existe des installations d’observation étonnantes qui ne cessent de nous surprendre et de générer de nouvelles pistes à explorer. Cet événement est l’une de ces surprises. »
Alors que de nouveaux télescopes tels que l’Observatoire Rubin seront mis en service dans les années à venir, Pasham prévoit davantage d’opportunités pour déterminer la rotation des trous noirs.
« Le spin d’un trou noir supermassif nous en dit plus sur son histoire », explique Pasham. « Même si une petite fraction de ceux capturés par Rubin présentent ce type de signal, nous disposons désormais d’un moyen de mesurer le spin de centaines de TDE. Nous pourrions alors faire une grande déclaration sur la façon dont les trous noirs évoluent au cours de l’âge de l’univers. »
Cette recherche a été financée, en partie, par la NASA et le Agence spatiale européenne.