La mission d'imagerie et de spectroscopie aux rayons X (Xrism) a révélé une différence inattendue entre les vents puissants qui se lancent à partir d'un disque autour d'une étoile à neutrons et celles de matériaux encerclant des trous noirs supermassifs.
Le vent étonnamment dense qui souffle du système stellaire remet en question notre compréhension de la façon dont ces vents forment et conduisent le changement dans leur environnement.
Des détails ont été publiés dans Nature.
Le 25 février 2024, Xrism a utilisé son instrument « Resolve » pour regarder l'étoile à neutrons GX13 + 1, le noyau brûlé d'une étoile autrefois plus grande. GX13 + 1 est une source de rayons X brillante. Les radiographies proviennent d'un disque de matière chaude, connue sous le nom de disque d'accrétion, qui s'éloigne progressivement pour frapper la surface de l'étoile à neutrons.
De telles entrées de puissance des sorties qui influencent et transforment l'environnement cosmique. Pourtant, les détails de la façon dont ces sorties sont produites restent une question de recherche en cours. C'est pourquoi Xrism observait GX13 + 1.
Étant donné le pouvoir de résolution sans précédent de démêler l'énergie des photons radiographiques entrants, l'équipe Xrism s'attendait à ce que ces détails ne soient jamais auparavant.
« Lorsque nous avons vu la richesse des détails pour la première fois dans les données, nous avons estimé que nous avons assisté à un résultat révolutionnaire », explique Matteo Guainazzi, ESA Xrism Project Scientist. « Pour beaucoup d'entre nous, c'était la réalisation d'un rêve que nous avions chassé depuis des décennies. »
Ces vents cosmiques sont bien plus que des curiosités scientifiques – ce sont les vents qui stimulent le changement cosmique.
Ils apparaissent également à partir de systèmes de trous noirs supermassifs trouvés dans les centres des galaxies, et peuvent provoquer la formation des étoiles en déclenchant l'effondrement des nuages moléculaires géants, ou ils peuvent arrêter la formation d'étoiles en chauffant et en explosant ces nuages. Les astronomes appellent cela «rétroaction», et il peut être si puissant que les vents d'un trou noir supermassif peuvent contrôler la croissance de toute sa galaxie parent.
Étant donné que les mécanismes générant les vents à partir de trous noirs supermassifs peuvent être fondamentalement les mêmes que ceux au travail autour de GX13 + 1, l'équipe a choisi de regarder GX13 + 1 car elle est plus proche et semble donc plus brillante que les variétés de trou noir supermassive, ce qui signifie qu'elle peut être étudiée plus en détail.
Il y avait une surprise. Quelques jours avant que leurs observations devaient avoir lieu, GX13 + 1 devenu inattendu devenu plus lumineux – en train de dépasser ou même de dépasser un plafond théorique connu sous le nom de limite d'Eddington.
Le principe derrière cette limite est que plus de matière tombe sur un objet compact tel qu'un trou noir ou une étoile à neutrons, plus d'énergie est libérée. Plus une énergie est libérée plus rapide, plus la pression qu'elle exerce sur d'autres matériaux infaillibles, repoussant davantage dans l'espace. À la limite d'Eddington, la quantité de lumière à haute énergie produite est essentiellement suffisante pour transformer presque toute la matière infaillible en un vent cosmique.
Et la résolution regardait GX13 + 1 alors que cet événement stupéfiant a eu lieu.
« Nous n'aurions pas pu planifier cela si nous avions essayé », a déclaré Chris Done, Durham University, Royaume-Uni, chercheur principal de l'étude. « Le système est passé d'environ la moitié de sa sortie de rayonnement maximale à quelque chose de beaucoup plus intense, créant un vent plus épais que nous n'avions jamais vu auparavant. »
Mais mystérieusement, le vent ne se déplaçait pas à la vitesse que les scientifiques Xrism attendaient. Il est resté environ 1 million de km / h. Bien que rapide à toute norme terrestre, cela est décidément lent par rapport aux vents cosmiques produits près de la limite d'Eddington autour d'un trou noir supermassif. Dans cette situation, les vents peuvent atteindre 20 à 30% de la vitesse de la lumière, plus de 200 millions de km / h.
« C'est toujours une surprise pour moi à quel point ce vent est » lent « », explique Chris, « ainsi que de son épaisseur. C'est comme regarder le soleil à travers une banque de brouillard qui roule vers nous. Tout devient gradateur lorsque le brouillard est épais. »
Ce n'était pas la seule différence que l'équipe a observée. Xrism avait précédemment révélé un vent d'un trou noir supermassif à la limite d'Eddington. Là, le vent était ultrarapé et grumeleux, tandis que le vent en GX13 + 1 est lent et fluide.
« Les vents étaient totalement différents, mais ils sont des systèmes qui sont à peu près les mêmes en termes de limite d'Eddington. Donc, si ces vents sont vraiment juste alimentés par la pression des radiations, pourquoi sont-ils différents? » demande Chris.
L'équipe a proposé qu'elle revienne à la température du disque d'accrétion qui se forme autour de l'objet central. Contre-intuitivement, les trous noirs supermassifs ont tendance à avoir des disques d'accrétion qui sont plus basses de température que ceux autour des systèmes binaires de masse stellaire avec des trous noirs ou des étoiles à neutrons.
En effet, les disques d'accrétion autour des trous noirs supermassifs sont plus grands. Ils sont également plus lumineux, mais leur pouvoir est réparti sur une zone plus grande – tout est plus grand autour d'un grand trou noir. Ainsi, le type typique de rayonnement libéré par un disque d'accrétion de trou noir supermassif est ultraviolet, qui transporte moins d'énergie que les rayons X libérés par les disques d'accrétion binaire stellaires.
Étant donné que la lumière ultraviolette interagit avec la matière beaucoup plus facilement que les rayons X, Chris et ses collègues spéculent que cela peut pousser plus efficacement la question, créant les vents plus rapides observés dans les systèmes de trous noirs.
Si c'est le cas, la découverte promet de remodeler notre compréhension de la façon dont l'énergie et la matière interagissent dans certains des environnements les plus extrêmes de l'univers, fournissant une fenêtre plus complète sur les mécanismes complexes qui façonnent les galaxies et stimulent l'évolution cosmique.
« La résolution sans précédent du Xrism nous permet d'étudier ces objets – et beaucoup d'autres – dans des détails beaucoup plus importants, ouvrant la voie à la nouvelle génération de télescope à rayons X haute résolution telle que Newathena », explique Camille Dieu, chercheur à l'ESA.
