Les astronomes observent des éclairs de rayons X provenant d’un trou noir supermassif voisin qui s’accélèrent mystérieusement

Un trou noir supermassif a gardé les astronomes rivés à leurs télescopes ces dernières années. Il y a d’abord eu une disparition surprise, et maintenant, un acte de filature précaire.

Le trou noir en question est 1ES 1927+654, qui est à peu près aussi massif qu’un million de soleils et se trouve dans une galaxie située à 100 millions d’années-lumière.

En 2018, des astronomes du MIT et d’ailleurs ont observé que la couronne du trou noir – un nuage de plasma tourbillonnant et chauffé à blanc – avait soudainement disparu, avant de se réassembler des mois plus tard. Cette interruption brève mais spectaculaire était une première dans l’astronomie des trous noirs.

Les membres de l’équipe du MIT ont maintenant détecté le même trou noir présentant un comportement plus sans précédent.

Les astronomes ont détecté des éclairs de rayons X provenant du trou noir à une fréquence croissante. Sur une période de deux ans, la fréquence des éclairs, avec des oscillations en millihertz, est passée de toutes les 18 minutes à toutes les sept minutes. Cette accélération spectaculaire des rayons X n’a jamais été observée depuis un trou noir jusqu’à présent.

Les chercheurs ont exploré un certain nombre de scénarios pour tenter d’expliquer ces éclairs. Ils pensent que le coupable le plus probable est une naine blanche en rotation – un noyau extrêmement compact d’étoile morte qui orbite autour du trou noir et se rapproche de manière précaire de son horizon des événements, la limite au-delà de laquelle rien ne peut échapper à l’attraction gravitationnelle du trou noir.

Si tel est le cas, la naine blanche doit réussir un exercice d’équilibriste impressionnant, car elle pourrait s’approcher jusqu’au bord du trou noir sans pour autant y tomber.

“Ce serait la chose la plus proche que nous connaissions d’un trou noir”, déclare Megan Masterson, étudiante diplômée en physique au MIT, qui a codirigé la découverte. “Cela nous indique que des objets comme les naines blanches pourraient vivre très près d’un horizon d’événements pendant une période de temps relativement longue.”

Les chercheurs présenteront leurs résultats lors de la 245e réunion de l’American Astronomical Society à National Harbor, dans le Maryland, et publieront les résultats dans un article dans Nature. Les résultats sont également publiés sur le arXiv serveur de préimpression.

Si une naine blanche est à l’origine du mystérieux éclair du trou noir, elle émettrait également des ondes gravitationnelles, dans une plage qui serait détectable par les observatoires de nouvelle génération tels que l’antenne spatiale à interféromètre laser (LISA) de la NASA.

“Ces nouveaux détecteurs sont conçus pour détecter des oscillations à l’échelle de la minute, ce système de trous noirs se trouve donc à cet endroit idéal”, explique Erin Kara, co-auteure et professeure agrégée de physique au MIT.

Les autres co-auteurs de l’étude comprennent Christos Panagiotou, Joheen Chakraborty, Kevin Burdge, Riccardo Arcodia, Ronald Remillard et Jingyi Wang, membres du MIT Kavli, ainsi que des collaborateurs de plusieurs autres institutions.

Rien de normal

Kara et Masterson faisaient partie de l’équipe qui a observé 1ES 1927+654 en 2018, alors que la couronne du trou noir s’assombrissait, puis se reconstruisait lentement au fil du temps. Pendant un certain temps, la couronne nouvellement reformée – un nuage de plasma et de rayons X hautement énergétiques – était l’objet émetteur de rayons X le plus brillant du ciel.

“Il était toujours extrêmement brillant, même s’il n’avait rien fait de nouveau depuis quelques années et gargouillait. Mais nous avons senti que nous devions continuer à le surveiller parce qu’il était si beau”, explique Kara. “Ensuite, nous avons remarqué quelque chose qui n’avait jamais vraiment été vu auparavant.”

En 2022, l’équipe a examiné les observations du trou noir prises par le XMM-Newton de l’Agence spatiale européenne, un observatoire spatial qui détecte et mesure les émissions de rayons X des trous noirs, des étoiles à neutrons, des amas galactiques et d’autres sources cosmiques extrêmes. . Ils ont remarqué que les rayons X du trou noir semblaient pulser avec une fréquence croissante.

De telles « oscillations quasi-périodiques » n’ont été observées que dans une poignée d’autres trous noirs supermassifs, où des éclairs de rayons X apparaissent à fréquence régulière.

Dans le cas de 1ES 1927+654, le scintillement semblait augmenter régulièrement, passant de toutes les 18 minutes à toutes les sept minutes sur une période de deux ans.

“Nous n’avons jamais vu une variabilité aussi spectaculaire dans la vitesse à laquelle il clignote”, déclare Masterson. “Cela ne ressemblait absolument pas à un trou noir normal.”

Le fait que le flash ait été détecté dans la bande des rayons X indique qu’il est fort possible que la source se trouve quelque part très proche du trou noir. Les régions les plus intérieures d’un trou noir sont des environnements à très haute énergie, où les rayons X sont produits par un plasma chaud et en mouvement rapide.

Les rayons X sont moins susceptibles d’être observés à des distances plus éloignées, où le gaz peut circuler plus lentement dans un disque d’accrétion. L’environnement plus froid du disque peut émettre de la lumière optique et ultraviolette, mais émet rarement des rayons X.

“Voir quelque chose dans les rayons X, c’est déjà dire que vous êtes assez proche du trou noir”, dit Kara. “Lorsque vous voyez une variabilité sur une échelle de temps de quelques minutes, cela se rapproche de l’horizon des événements, et la première chose à laquelle votre esprit se tourne est le mouvement circulaire et la question de savoir si quelque chose pourrait être en orbite autour du trou noir.”

Coup de pied aux rayons X

Ce qui produisait les éclairs de rayons X le faisait à une distance extrêmement proche du trou noir, que les chercheurs estiment être à quelques millions de kilomètres de l’horizon des événements.

Masterson et Kara ont exploré des modèles pour divers phénomènes astrophysiques qui pourraient expliquer les modèles de rayons X qu’ils ont observés, y compris une possibilité liée à la couronne du trou noir.

“Une idée est que cette couronne oscille, peut-être qu’elle va et vient, et si elle commence à rétrécir, ces oscillations s’accélèrent à mesure que les échelles deviennent plus petites”, explique Masterson. “Mais nous en sommes aux tout premiers stades de la compréhension des oscillations coronales.”

Un scénario plus probable, et que les scientifiques maîtrisent mieux en termes de physique impliquée, concerne une naine blanche casse-cou.

“Ces objets sont vraiment petits et assez compacts, et nous émettons l’hypothèse qu’il s’agit d’une naine blanche qui se rapproche si près du trou noir”, explique Masterson.

Selon leur modélisation, les chercheurs estiment que la naine blanche aurait pu avoir une masse environ un dixième de celle du soleil. En revanche, le trou noir supermassif lui-même est de l’ordre d’un million de masses solaires.

Lorsqu’un objet s’approche aussi près d’un trou noir supermassif, des ondes gravitationnelles devraient être émises, rapprochant l’objet du trou noir. À mesure qu’elle se rapproche, la naine blanche se déplace à un rythme plus rapide, ce qui peut expliquer la fréquence croissante des oscillations des rayons X observée par l’équipe.

La naine blanche est pratiquement au bord du non-retour et on estime qu’elle se trouve à seulement quelques millions de kilomètres de l’horizon des événements. Cependant, les chercheurs prédisent que l’étoile ne tombera pas.

Bien que la gravité du trou noir puisse attirer la naine blanche vers l’intérieur, l’étoile perd également une partie de sa couche externe dans le trou noir. Cette perte agit comme un petit contrecoup, de sorte que la naine blanche – un objet incroyablement compact lui-même – peut résister à franchir la limite du trou noir.

“Comme les naines blanches sont petites et compactes, elles sont très difficiles à déchiqueter, elles peuvent donc être très proches d’un trou noir”, explique Kara. “Si ce scénario est correct, cette naine blanche se trouve juste au point de retournement, et nous pourrions la voir s’éloigner davantage.”

L’équipe prévoit de continuer à observer le système, avec les télescopes existants et futurs, pour mieux comprendre la physique extrême à l’œuvre dans les environnements les plus internes d’un trou noir. Ils sont particulièrement enthousiastes à l’idée d’étudier le système une fois le lancement du détecteur d’ondes gravitationnelles spatial LISA (actuellement prévu pour le milieu des années 2030), car les ondes gravitationnelles que le système devrait émettre se situeront dans un point idéal que LISA pourra clairement détecter.

“La seule chose que j’ai apprise avec cette source, c’est de ne jamais cesser de la regarder, car elle nous apprendra probablement quelque chose de nouveau”, explique Masterson. “La prochaine étape consiste simplement à garder les yeux ouverts.”

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.