Les télescopes de la NASA déterminent le calendrier d’alimentation des trous noirs

En utilisant de nouvelles données provenant de l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA et de l’observatoire Neil Gehrels Swift ainsi que du XMM-Newton de l’ESA, une équipe de chercheurs a réalisé d’importantes avancées dans la compréhension de comment – et quand – un trou noir supermassif obtient puis consomme de la matière.

Un article décrivant ces résultats apparaît sur le arXiv serveur de pré-impression et sera publié dans Le Journal d’AstrophysiqueLes auteurs sont Dheeraj Passam (Massachusetts Institute of Technology), Eric Coughlin (Université de Syracuse), Muryel Guolo (Université Johns Hopkins), Thomas Wevers (Space Telescope Science Institute), Chris Nixon (Université de Leeds, Royaume-Uni), Jason Hinkle (Université d’Hawaï à Manoa) et Ananaya Bandopadhyay (Syracuse).

Cette vue d’artiste ci-dessus montre une étoile partiellement perturbée par un tel trou noir dans le système connu sous le nom d’AT2018fyk. Le trou noir supermassif d’AT2018fyk, dont la masse est environ 50 millions de fois supérieure à celle du Soleil, se trouve au centre d’une galaxie située à environ 860 millions d’années-lumière de la Terre.

Les astronomes ont déterminé qu’une étoile se trouve sur une orbite très elliptique autour du trou noir d’AT2018fyk, de sorte que son point le plus éloigné du trou noir est beaucoup plus grand que son point le plus proche. Au cours de son approche la plus proche, les forces de marée du trou noir arrachent une partie de la matière de l’étoile, produisant deux queues de marée de « débris stellaires ».

L’illustration montre un point de l’orbite peu après la destruction partielle de l’étoile, lorsque les queues de marée sont encore à proximité de l’étoile. Plus tard dans l’orbite de l’étoile, la matière perturbée retourne vers le trou noir et perd de l’énergie, ce qui entraîne une forte augmentation de la luminosité des rayons X se produisant plus tard dans l’orbite (non représentée ici).

Ce processus se répète chaque fois que l’étoile revient à son point de rapprochement le plus proche, soit environ tous les 3,5 ans. L’illustration montre l’étoile pendant sa deuxième orbite et le disque de gaz émettant des rayons X autour du trou noir, produit par la première rencontre avec l’étoile.

Les chercheurs ont pris note d’AT2018fyk en 2018 lorsque l’étude optique au sol ASAS-SN a détecté que le système était devenu beaucoup plus brillant. Après l’avoir observé avec NICER et Chandra de la NASA, ainsi qu’avec XMM-Newton, les chercheurs ont déterminé que l’augmentation de luminosité provenait d’un « événement de perturbation par marée », ou TDE, qui signale qu’une étoile a été complètement déchirée et partiellement ingérée après avoir volé trop près d’un trou noir. Les données Chandra d’AT2018fyk sont présentées dans l’encart d’une image optique d’un champ de vision plus large.

Lorsque la matière de l’étoile détruite s’est approchée du trou noir, elle est devenue plus chaude et a produit des rayons X et des ultraviolets (UV). Ces signaux ont ensuite diminué, ce qui concorde avec l’idée qu’il ne restait plus rien de l’étoile à digérer pour le trou noir.

Cependant, environ deux ans plus tard, les rayons X et les rayons UV de la galaxie sont redevenus beaucoup plus brillants. Selon les astronomes, cela signifie que l’étoile a probablement survécu à l’attraction gravitationnelle initiale du trou noir et est ensuite entrée dans une orbite très elliptique avec le trou noir. Lors de son deuxième rapprochement avec le trou noir, davantage de matière a été arrachée et a produit davantage de rayons X et de rayons UV.

Ces résultats ont été publiés dans un article de 2023 dans le Lettres de revues astrophysiques dirigé par Thomas Wevers depuis le télescope spatial Science Institut à Baltimore.

« Nous pensions au départ qu’il s’agissait d’un cas banal de trou noir détruisant une étoile », a déclaré Wevers. « Mais au lieu de cela, l’étoile semble vivre pour mourir un jour de plus. »

Sur la base de ce qu’ils avaient appris sur l’étoile et son orbite, Wevers et son équipe ont prédit que le deuxième repas du trou noir se terminerait en août 2023, et ont demandé du temps d’observation à Chandra pour vérifier.

« Le signe révélateur de la fin de cette collation stellaire serait une chute soudaine des rayons X et c’est exactement ce que nous voyons dans nos observations de Chandra le 14 août 2023 », a déclaré Dheeraj Pasham du Massachusetts Institute of Technology, responsable du nouvel article sur ces résultats. « Nos données montrent qu’en août de l’année dernière, le trou noir s’essuyait essentiellement la bouche et s’éloignait de la table. »

Les nouvelles données obtenues par Chandra et Swift après la publication de l’article de 2023 donnent aux chercheurs une estimation encore plus précise du temps nécessaire à l’étoile pour effectuer une orbite complète et des futurs repas du trou noir. Ils déterminent que l’étoile se rapproche le plus du trou noir environ une fois tous les trois ans et demi.

« Nous pensons qu’un troisième repas du trou noir, s’il reste quelque chose de l’étoile, commencera entre mai et août 2025 et durera près de deux ans », a déclaré Eric Coughlin, co-auteur de la nouvelle étude, de l’Université de Syracuse à New York. « Ce sera probablement plus une collation qu’un repas complet, car le deuxième repas était plus petit que le premier, et l’étoile est en train de se réduire. »

Les auteurs pensent que l’étoile condamnée avait à l’origine une autre étoile comme compagnon lorsqu’elle s’est approchée du trou noir. Cependant, lorsque la paire d’étoiles s’est trop rapprochée du trou noir, la gravité du trou noir a séparé les deux étoiles. L’une est entrée en orbite avec le trou noir, et l’autre a été projetée dans l’espace à grande vitesse.

« L’étoile condamnée a été forcée de changer radicalement de compagnons, passant d’une autre étoile à un trou noir géant », a déclaré Muryel Guolo, co-auteur de l’étude et membre de l’université Johns Hopkins à Baltimore. « Son partenaire stellaire s’est échappé, mais pas elle. »

L’équipe prévoit de continuer à suivre AT2018fyk aussi longtemps que possible pour étudier le comportement d’un système aussi exotique.