Les trous noirs sont fondamentaux pour la structure des galaxies et critiques dans notre compréhension de la gravité, de l'espace et du temps. Un trou noir de masse stellaire est un type de trou noir qui se forme à partir de l'effondrement gravitationnel d'une étoile massive à la fin de son cycle de vie. Ces trous noirs ont généralement des masses allant d'environ 3 à 20 fois la masse de notre soleil.
Parfois, les trous noirs génèrent des poutres de gaz ionisé (plasma) qui tirent vers l'extérieur à une vitesse presque légère. Bien que découverte il y a plus d'un siècle, comment et pourquoi les jets se produisent est resté un mystère, décrit comme l'une des «merveilles de la physique».
Le professeur Kazutaka Yamaoka de l'Université Nagoya au Japon, ainsi que ses collègues de l'Université de Toyama et d'autres instituts internationaux, ont découvert des conditions clés nécessaires pour un trou noir stellaire pour créer des jets de plasma. Leurs résultats, publiés dans Publications de la Société astronomique du JaponMontrez que lorsque le matériau de gaz surchauffé subit un retrait rapide vers le trou noir, la formation de jet se produit.
Disques tourbillonnants de matière cosmique
Comprendre l'éjection de jet dans les trous noirs est crucial car il met en lumière l'évolution de la galaxie, la distribution d'énergie dans l'univers et les propriétés des trous noirs eux-mêmes. Les jets influencent la formation d'étoiles, distribuent l'énergie sur de vastes distances et servent de balises cosmiques pour localiser des trous noirs distants. De plus, ils donnent un aperçu de la physique fondamentale des trous noirs.
Des matériaux tels que la poussière et le gaz sont tirés vers des trous noirs en raison de leur forte gravité. Ce matériau tourne autour du trou noir dans un disque mince, appelé disque d'accrétion, qui est nécessaire pour former un jet.
Les scientifiques ont étudié un système de trou noir composé d'un trou noir de masse stellaire et d'une étoile en forme de soleil en orbite. Dans ce système, 5 ou 6 jets se produisent sur une période d'environ 20 jours, ce qui rend idéal pour étudier ce phénomène. En analysant les données d'observation des rayons X et de la radio de 1999 à 2000, ils pouvaient suivre la rapidité avec laquelle les émissions de rayons X près du trou noir changeaient avec le temps et mesurer la quantité totale d'énergie produite par les Jets.
Causes de la formation de jet
Les résultats ont montré que les jets se produisent lorsque le rayon intérieur du disque d'accrétion diminue soudainement et atteint l'orbite circulaire stable la plus intérieure (ISCO), la plus proche de cette matière peut orbiter sans tomber.
Les chercheurs ont observé qu'au départ le rayon intérieur du disque de gaz était situé plus loin du trou noir. Lorsque le rayon intérieur du disque se rétrécit rapidement et atteint l'ISCO, le jet éclate. Le jet continue d'éclater pendant un certain temps; Cependant, lorsque le mouvement rétrécissant du bord intérieur du disque s'arrête, le jet lui-même cesse.
À partir de cela, ils ont identifié deux conditions clés nécessaires pour qu'un trou noir stellaire crée des jets: le bord intérieur du disque de gaz entourant le trou noir doit rapidement se rapprocher du trou noir et ce mouvement doit atteindre l'ISCO.
Les scientifiques savaient déjà que lorsqu'un jet de trou noir éclate, les rayons X deviennent « plus doux » (plus de rayons X à faible énergie par rapport aux rayons de haute énergie) et montrent moins de fluctuations rapides dans une courte échelle de temps. Cette étude a découvert que ces changements de rayons X se produisent parce que le bord intérieur du disque de gaz se rapproche rapidement du trou noir, qui est le déclencheur réel de la formation de jet. À mesure que ce bord intérieur rétrécit, il produit plus de rayons X doux avec moins de variabilité par rapport aux rayons X dur très variables. Cela explique pourquoi les modèles de rayons X changent juste avant la formation des Jets.
Cette étude révèle que les jets se forment dans des conditions changeantes et dynamiques plutôt que stables et statiques, comme de nombreux modèles théoriques l'ont supposé. Maintenant, les scientifiques peuvent mieux prédire la survenue de jets plasmatiques et étudier les mécanismes derrière eux en temps réel.
« Notre découverte sur la formation de jets dans des trous noirs de masse stellaire peut fournir une clé universelle pour comprendre ces phénomènes. Bien que ces systèmes binaires – où un trou noir orbite une étoile normale – diffèrent considérablement à partir des trous noirs supermassifs situés au centre d'une galaxie, nous croyons que des mécanismes physiques similaires fonctionnent sur toutes les échelles de trou noir », a expliqué le professeur Yamaoka.
« Bien que difficile en raison de leur évolution de temps plus lente et de leur difficulté à mesurer leurs structures intérieures, l'application de nos résultats sur des trous noirs supermassifs est notre prochaine étape », a-t-il ajouté.
