Illustration d’un événement de perturbation de marée (TDE). Une nouvelle étude menée par des chercheurs du MIT utilisant des données infrarouges a révélé 18 événements de perturbation des marées dans diverses galaxies, élargissant ainsi notre compréhension de ces phénomènes et résolvant des énigmes de longue date dans ce domaine. Crédit : Carl Knox – OzGrav, Centre d’excellence ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles, Université de technologie de Swinburne
Les détections font plus que doubler le nombre d’événements de perturbations de marée connus dans l’univers proche.
Les trous noirs déchiquetant les étoiles sont partout dans le ciel si vous savez comment les rechercher. C’est l’un des messages d’une nouvelle étude réalisée par MIT scientifiques, publié le 29 janvier dans le Journal d’astrophysique.
Les auteurs de l’étude rapportent la découverte de 18 nouveaux événements de perturbation de marée (TDE) – des cas extrêmes où une étoile proche est attirée par la marée dans un trou noir et déchiré en lambeaux. Pendant que le trou noir se régale, il dégage une énorme explosion d’énergie à travers le spectre électromagnétique.
Les astronomes ont détecté des événements de perturbation de marée antérieurs en recherchant des sursauts caractéristiques dans les bandes optiques et des rayons X. À ce jour, ces recherches ont révélé une douzaine d’événements de destruction d’étoiles dans l’univers proche. Les nouveaux TDE de l’équipe du MIT font plus que doubler le catalogue des TDE connus dans l’univers.
Aperçu infrarouge
Les chercheurs ont repéré ces événements jusqu’alors « cachés » en regardant dans une bande non conventionnelle : l’infrarouge. En plus d’émettre des sursauts optiques et de rayons X, les TDE peuvent générer un rayonnement infrarouge, en particulier dans les galaxies « poussiéreuses », où un trou noir central est enveloppé de débris galactiques. La poussière de ces galaxies absorbe et obscurcit normalement la lumière optique et les rayons X, ainsi que tout signe de TDE dans ces bandes. Au cours du processus, la poussière s’échauffe également, produisant un rayonnement infrarouge détectable. L’équipe a découvert que les émissions infrarouges peuvent donc servir de signe d’événements de perturbation des marées.
En observant dans la bande infrarouge, l’équipe du MIT a détecté de nombreux autres TDE, dans des galaxies où de tels événements étaient auparavant cachés. Les 18 nouveaux événements se sont produits dans différents types de galaxies, dispersées dans le ciel.
Les scientifiques du MIT ont identifié 18 nouveaux événements de perturbation des marées (TDE) – des cas extrêmes où une étoile proche est attirée par les marées dans un trou noir et déchirée en lambeaux. Les détections font plus que doubler le nombre de TDE connus dans l’univers proche. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs, édité par MIT News
« La majorité de ces sources n’apparaissent pas dans les bandes optiques », explique l’auteur principal Megan Masterson, étudiante diplômée à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. « Si vous voulez comprendre les TDE dans leur ensemble et les utiliser pour sonder la démographie des trous noirs supermassifs, vous devez regarder dans la bande infrarouge. »
Parmi les autres auteurs du MIT figurent Kishalay De, Christos Panagiotou, Anna-Christina Eilers, Danielle Frostig et Robert Simcoe, ainsi que le professeur adjoint de physique du MIT Erin Kara, ainsi que des collaborateurs de plusieurs institutions, dont l’Institut Max Planck de physique extraterrestre en Allemagne.
Pic de chaleur
L’équipe a récemment détecté le TDE le plus proche à ce jour, en effectuant des recherches via des observations infrarouges. Cette découverte a ouvert une nouvelle voie infrarouge par laquelle les astronomes peuvent rechercher des trous noirs qui se nourrissent activement.
Cette première détection a incité le groupe à rechercher davantage de TDE. Pour leur nouvelle étude, les chercheurs ont effectué des recherches dans les observations d’archives prises par NEOWISE – la version renouvelée de NASAL’explorateur d’enquêtes infrarouges à grand champ de. Ce télescope satellite a été lancé en 2009 et, après une brève interruption, a continué à balayer l’ensemble du ciel à la recherche de « transitoires » infrarouges ou de brèves sursauts.
L’équipe a examiné les observations archivées de la mission à l’aide d’un algorithme développé par le co-auteur Kishalay De. Cet algorithme détecte des modèles d’émissions infrarouges qui sont probablement des signes d’une explosion transitoire de rayonnement infrarouge. L’équipe a ensuite croisé les transitoires signalés avec un catalogue de toutes les galaxies proches connues dans un rayon de 200 mégaparsecs, soit 600 millions d’années-lumière. Ils ont découvert que les transitoires infrarouges pouvaient être retracés jusqu’à environ 1 000 galaxies.
Ils ont ensuite zoomé sur le signal du sursaut infrarouge de chaque galaxie pour déterminer si le signal provenait d’une source autre qu’un TDE, comme un noyau galactique actif ou une supernova. Après avoir exclu ces possibilités, l’équipe a ensuite analysé les signaux restants, à la recherche d’un motif infrarouge caractéristique d’un TDE, à savoir un pic aigu suivi d’une baisse progressive, reflétant un processus par lequel un trou noir, en déchirant un étoile, chauffe soudainement la poussière environnante jusqu’à environ 1 000 kelvins avant de se refroidir progressivement.
Cette analyse a révélé 18 signaux « propres » d’événements de perturbation des marées. Les chercheurs ont étudié les galaxies dans lesquelles chaque TDE a été trouvé et ont constaté qu’ils se produisaient dans une gamme de systèmes, y compris des galaxies poussiéreuses, dans tout le ciel.
« Si vous regardiez dans le ciel et voyiez un groupe de galaxies, les TDE se produiraient de manière représentative dans chacune d’elles », explique Masteron. « Ce n’est pas qu’ils se produisent uniquement dans un seul type de galaxie, comme les gens le pensaient en se basant uniquement sur des recherches optiques et à rayons X. »
« Il est désormais possible de regarder à travers la poussière et de compléter le recensement des TDE à proximité », explique Edo Berger, professeur d’astronomie à l’Université Harvard, qui n’a pas participé à l’étude. « Un aspect particulièrement passionnant de ce travail est le potentiel des études de suivi avec de grandes enquêtes infrarouges, et je suis impatient de voir quelles découvertes elles donneront. »
Élargir la compréhension des événements de perturbation des marées
Les découvertes de l’équipe contribuent à résoudre certaines questions majeures dans l’étude des événements de perturbation des marées. Par exemple, avant ces travaux, les astronomes avaient principalement observé des TDE dans un type de galaxie : un système « post-starburst » qui était auparavant une usine de formation d’étoiles, mais qui s’est depuis installé. Ce type de galaxie est rare et les astronomes se demandent pourquoi les TDE semblent apparaître uniquement dans ces systèmes plus rares. Il se trouve que ces systèmes sont également relativement dépourvus de poussières, ce qui rend naturellement plus facile la détection des émissions optiques ou de rayons X d’un TDE.
Désormais, en observant dans la bande infrarouge, les astronomes sont capables de voir des TDE dans beaucoup plus de galaxies. Les nouveaux résultats de l’équipe montrent que les trous noirs peuvent dévorer les étoiles de toute une série de galaxies, et pas seulement des systèmes post-starburst.
Les résultats résolvent également un problème « d’énergie manquante ». Les physiciens ont théoriquement prédit que les TDE devraient rayonner plus d’énergie que ce qui a été réellement observé. Mais l’équipe du MIT affirme désormais que la poussière pourrait expliquer cet écart. Ils ont découvert que si un TDE se produisait dans une galaxie poussiéreuse, la poussière elle-même pourrait absorber non seulement les émissions optiques et de rayons X, mais également le rayonnement ultraviolet extrême, dans une quantité équivalente à « l’énergie manquante » présumée.
Les 18 nouvelles détections aident également les astronomes à estimer la vitesse à laquelle les TDE se produisent dans une galaxie donnée. Lorsqu’ils comparent les nouveaux TDE aux détections précédentes, ils estiment qu’une galaxie subit un événement de perturbation de marée tous les 50 000 ans. Ce taux se rapproche davantage des prédictions théoriques des physiciens. Avec davantage d’observations infrarouges, l’équipe espère résoudre le taux de TDE et les propriétés des trous noirs qui les alimentent.
« Les gens proposaient des solutions très exotiques à ces énigmes, et maintenant nous sommes arrivés au point où nous pouvons toutes les résoudre », explique Kara. « Cela nous donne l’assurance que nous n’avons pas besoin de toute cette physique exotique pour expliquer ce que nous observons. Et nous maîtrisons mieux les mécanismes derrière la façon dont une étoile est déchirée et engloutie par un trou noir. Nous comprenons mieux ces systèmes.
Cette recherche a été financée en partie par la NASA.
