Les comportements déroutants et étranges des trous noirs sont devenus un peu moins mystérieux, grâce aux nouvelles observations de deux missions de la NASA.
Les comportements déroutants et étranges des trous noirs sont devenus un peu moins mystérieux récemment, grâce aux nouvelles observations des missions d’exploration Swift et NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) de la NASA. Les deux télescopes spatiaux ont filmé un trou noir supermassif au milieu d’une éruption géante de rayons X, aidant ainsi les astronomes à résoudre une énigme persistante : comment les trous noirs supermassifs s’enflamment-ils ?
Les résultats suggèrent que les trous noirs supermassifs émettent des faisceaux de rayons X lorsque les halos qui les entourent — des sources de particules extrêmement énergétiques — s’éloignent des trous noirs.
« C’est la première fois que nous avons pu établir un lien entre le démarrage du halo et une éruption », a déclaré Dan Wilkins de l’université Saint Mary’s à Halifax, au Canada, auteur principal d’un nouvel article sur les résultats publié dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. « Cela nous aidera à comprendre comment les trous noirs supermassifs alimentent certains des objets les plus brillants de l’univers ».
Les trous noirs supermassifs n’émettent pas de lumière par eux-mêmes, mais ils sont souvent entourés de disques de matière chaude et incandescente. La gravité d’un trou noir attire les gaz tourbillonnants à l’intérieur, chauffant cette matière et la faisant briller de différents types de lumière. Le halo est une autre source de rayonnement à proximité d’un trou noir. Les halos sont constituées de particules hautement énergétiques qui produisent des rayons X, mais les détails de leur apparence et de leur formation ne sont pas clairs.
Les astronomes pensent que les halos ont l’une des deux configurations possibles. Selon le modèle du « lampadaire », il s’agit de sources de lumière compactes, semblables à des ampoules électriques, situées au-dessus et au-dessous du trou noir, le long de son axe de rotation. L’autre modèle propose que les halos soient répartis de manière plus diffuse, soit sous la forme d’un nuage plus grand autour du trou noir, soit sous la forme d’un « sandwich » qui enveloppe le disque de matière environnant comme des tranches de pain. En fait, il est possible que les halos passent de la configuration en lampadaire à celle en sandwich.
Les nouvelles données confirment le modèle du « lampadaire » et démontrent, dans les moindres détails, comment les halos, semblables à des ampoules, se déplacent. Les observations ont commencé lorsque Swift, qui surveille le ciel à la recherche d’explosions cosmiques de rayons X et gamma, a capté une grande éruption provenant du trou noir supermassif appelé Markarian 335, ou Mrk 335, situé à 324 millions d’années-lumière en direction de la constellation de Pégase. Ce trou noir supermassif, qui se trouve au centre d’une galaxie, était autrefois l’une des sources de rayons X les plus brillantes du ciel.
« Il s’est passé quelque chose de très étrange en 2007, lorsque Mrk 335 a pâli d’un facteur 30. Ce que nous avons découvert, c’est qu’il continue d’émettre des éruptions mais qu’il n’a pas atteint les niveaux de luminosité et de stabilité observés auparavant », a déclaré Luigi Gallo, le chercheur principal du projet à l’université Saint Mary’s. Un autre co-auteur, Dirk Grupe de l’Université d’État de Morehead dans le Kentucky, utilise Swift pour surveiller régulièrement le trou noir depuis 2007.
En septembre 2014, Swift a surpris Mrk 335 dans une énorme éruption. Dès que Gallo l’a découvert, il a envoyé une demande à l’équipe NuSTAR pour qu’elle suive rapidement l’objet dans le cadre d’un programme de « cible d’opportunité », où le programme d’observation préalablement prévu de l’observatoire est interrompu pour des événements importants. Huit jours plus tard, NuSTAR a posé ses yeux à rayons X sur la cible et a été témoin de la dernière moitié de l’éruption.
Après un examen minutieux des données, les astronomes ont réalisé qu’ils avaient assisté à l’éjection, puis à l’effondrement, du halo du trou noir.
« Le halo s’est d’abord effondré, puis s’est élancé vers le haut comme un jet », a déclaré Wilkins. « Nous ne savons toujours pas comment se forment les jets dans les trous noirs, mais c’est une possibilité excitante que le halo de ce trou noir ait commencé à former la base d’un jet avant de s’effondrer. »
Comment les chercheurs ont-ils pu constater que le halo bougeait ? Le halo émet des rayons X dont le spectre — les « couleurs » des rayons X — est légèrement différent de celui de la lumière provenant du disque entourant le trou noir. En analysant le spectre de la lumière X de Mrk 335 dans une gamme de longueurs d’onde observées par Swift et NuSTAR, les chercheurs ont pu constater que la lumière X du halo s’était éclaircie — et que cet éclaircissement était dû au mouvement du halo.
Les halos peuvent se déplacer très rapidement. Selon les scientifiques, le halo associé à Mk 335 se déplaçait à environ 20 % de la vitesse de la lumière. Lorsque cela se produit, et que le halo se dirige dans notre direction, sa lumière s’intensifie dans un effet appelé « boosting Doppler relativiste ».
Si l’on met tout cela en commun, les résultats montrent que l’éruption de rayons X de ce trou noir a été causée par l’éjection du halo.
« La nature de la source énergétique de rayons X que nous appelons le halo est mystérieuse, mais maintenant, grâce à la possibilité de voir des changements spectaculaires comme celui-ci, nous obtenons des indices sur sa taille et sa structure », a déclaré Fiona Harrison, le chercheur principal de NuSTAR à l’Institut de technologie de Californie à Pasadena, qui n’était pas affilié à l’étude.
De nombreuses autres énigmes concernant les trous noirs demeurent. Par exemple, les astronomes veulent comprendre ce qui provoque l’éjection du halo en premier lieu.
NuSTAR est une mission Small Explorer dirigée par Caltech et gérée par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie, pour le Science Mission Directorate de la NASA à Washington. NuSTAR a été développé en partenariat avec l’Université technique du Danemark et l’Agence spatiale italienne (ASI). L’engin spatial a été construit par Orbital Sciences Corp. à Dulles, en Virginie. Le centre d’opérations de la mission NuSTAR se trouve à l’UC Berkeley, et les archives officielles de données se trouvent au High Energy Astrophysics Science Archive Research Center de la NASA. L’ASI fournit la station terrestre de la mission et une archive miroir. Le JPL est géré par Caltech pour la NASA.
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