Un trou noir scintillant situé dans la Voie lactée a été étudié avec une précision sans précédent par des astronomes. Une nouvelle technique d’observation à fréquence élevée, utilisée dans le cadre de cette recherche, aide les scientifiques à mieux comprendre la dynamique complexe des mystérieux objets que sont les trous noirs.
Découvert en 2018, le trou noir en question a été nommé MAXI J1820+070. Il fait environ 7 fois la masse du Soleil et se situe à seulement 10’000 années-lumière de la Terre.
Selon les modèles théoriques actuels, la masse la plus petite qu’un trou noir stable puisse avoir est d’environ 5 masses solaires. Cela fait de MAXI J1820+070 l’un des plus petits trous noirs jamais observés à ce jour. Et sa petite taille/masse n’est pas la seule caractéristique inhabituelle : en effet, les astronomes ont remarqué que l’objet scintille, émettant des rayons X et de la lumière (visible) à intervalles réguliers, tandis qu’il absorbe activement la matière d’une étoile voisine. Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
De manière générale, les trous noirs calmes (et en particulier les petits trous noirs) sont très difficiles à voir. Sagittaire A*, le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée, est d’ailleurs relativement calme bien que massif. Mais dans un tel cas — sachant que Sgr A* fait environ 4 millions de fois la masse du Soleil, les orbites perturbées des différents corps célestes alentours, affectées par sa forte attraction gravitationnelle, sont facilement distinguables.
Un trou noir faisant seulement 7 fois la masse du Soleil ne devrait donc pas avoir autant d’objets en orbite autour de lui. Cependant, de nombreuses étoiles composent des systèmes binaires, tertiaires ou plus (une ou plusieurs étoiles gravitationnellement liées), incluant aussi des trous noirs (soit principalement des étoiles s’étant effondrées sur elles-mêmes).
Les astronomes pensent que cela est le cas de MAXI J1820+070. Lorsque le trou noir se nourrit de son étoile compagnon, la matière forme un disque d’accrétion autour de ce dernier, où des forces de friction, magnétiques et gravitationnelles la compressent, ce qui génère donc une chaleur extrême.
Cela produit à son tour un rayonnement électromagnétique vacillant, et c’est ce que les chercheurs ont observé. La fréquence de capture était de plus de 300 images par seconde. Pour le spectre visible, ils ont utilisé l’HiPERCAM, un nouvel instrument à haute fréquence qui équipe le Gran Telescopio Canarias. Pour l’observation en rayons X, ils se sont tournés vers l’instrument NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer Mission), monté sur la Station spatiale internationale en 2017.
« La simulation de l’étude a été réalisée en utilisant des données réelles, mais a été ralentie à 1/10e de sa vitesse véritable afin de permettre à l’œil humain de discerner les panaches les plus rapides » a déclaré l’astronome John Paice de l’Université de Southampton (Royaume-Uni) et du Centre interuniversitaire d’astronomie et d’astrophysique. « Nous pouvons voir à quel point la matière autour du trou noir est si lumineuse, elle ‘surpasse’ même celle de l’étoile qu’il consomme et les scintillements les plus rapides ne durent que quelques millisecondes – cela correspond à une énergie équivalent à cent soleils, émise en un clin d’œil ! ».
Cette approche à observation multiple a permis à l’équipe de suivre simultanément les deux types de rayonnements, une augmentation de l’un s’accompagnant d’une augmentation de l’autre.
Cependant, et curieusement, il y avait un intervalle de temps entre ces changements : les flashs optiques étaient précédés d’une fraction de seconde par des pics de rayons X (un signal qui indiquait la présence de plasma, un état de la matière hautement ionisé et électriquement conducteur) très proches du trou noir.
Sur le même sujet : La NASA publie une nouvelle simulation ultra-détaillée de la dynamique d’un trou noir
Il faut savoir que dans le cadre de deux autres observations (d’études précédentes), ce délai entre le flash de rayons X et le flash optique avait déjà été détecté dans d’autres trous noirs actifs, respectivement en 2017 et en 2018. Cette troisième observation du phénomène est cependant la plus intéressante, étant donné qu’il s’agit de la plus détaillée à ce jour.
« Le fait que nous observons maintenant ce phénomène dans un troisième système renforce l’idée qu’il s’agit d’une caractéristique unificatrice de ces trous noirs en croissance. Si cela est vrai, des conclusions fondamentales sur la façon dont le plasma circule autour des trous noirs pourraient être faites », a déclaré l’astronome Poshak Gandhi, également de l’Université de Southampton. « Nos meilleures hypothèses suggèrent un lien profond entre des particules entrantes et sortantes du plasma. Mais ce sont des conditions physiques extrêmes que nous ne pouvons pas reproduire dans nos laboratoires, et nous ne comprenons pas encore comment la nature permet cela. Ces données seront cruciales pour la prise de décision sur la théorie correcte ».
« L’astrophysique spatio-temporelle est un domaine de recherche riche en potentiel de découverte, comme le démontre cette étude. De nouveaux systèmes comme MAXI J1820+070 sont découverts chaque année… et de nouveaux instruments d’observation comme l’HiPERCAM et NICER nous aident à mieux comprendre ces objets cosmiques énigmatiques » conclut John Paice.
Ci-dessous, une simulation mettant en contexte les observations effectuées par les astronomes :
Un trou noir
est un objet compact au champ gravitationnel si intense qu'aucune
matière ni aucun rayonnement ne peut s'en échapper. Puisque ces
astres n'émettent aucune lumière, ils ne peuvent être... [...]
L'année-lumière est une unité de longueur utilisée pour exprimer
des distances astronomiques. Elle est définie par l'Union
Astronomique Internationale (UAI) comme la distance parcourue par
la lumière dans le vide pendant une année julienne (365.25 jours).
Elle vaut environ... [...]