Le système binaire à rayons X MAXI J1820+070 comporte une étoile qui orbite autour d’un trou noir. En l’absence de perturbations externes, les axes de rotation ont tendance à être alignés l’un sur l’autre et perpendiculaires au plan orbital. En observant un angle de plus de 40 degrés entre les deux axes, les chercheurs de l’observatoire de Tuorla (Finlande) soulignent l’unicité de ce système. À l’origine, un puissant « coup de fouet » qui aurait eu lieu au début de la formation du trou noir pourrait remettre en question comment se forment ces objets mystérieux.
Le système stellaire binaire MAXI J1820+070 a été découvert en 2018. Il fait seulement environ 7 fois la masse du Soleil et se situe à seulement 10 000 années-lumière de la Terre. Il s’agit d’un des trous noirs les moins massifs jamais observés.
Si un trou noir se trouve assez près d’une étoile dans un système binaire, non seulement l’étoile sera en orbite autour de lui, mais il lui soustraira aussi de la matière. Lorsque cette matière tombe dans le trou noir, elle forme alors un disque d’accrétion suffisamment chaud pour émettre des rayonnements optiques et X. Le système révèle quelques caractéristiques intéressantes sur le trou noir : sa masse, son spin (rotation), son taux d’accrétion et son angle d’inclinaison par rapport à l’axe orbital stellaire.
D’ordinaire, dans les systèmes spatiaux où de petits objets orbitent autour d’un corps massif, l’axe de rotation de ce corps est largement aligné et perpendiculaire avec l’axe de rotation de ses satellites. Il en est d’ailleurs de même dans notre système solaire : les planètes orbitent autour du Soleil dans un plan à peu près similaire au plan équatorial du Soleil, et l’angle d’inclinaison entre l’axe de rotation du Soleil et l’axe de la Terre n’est que de sept degrés.
Un désalignement de plus de 40 degrés qui ajoute une nouvelle dimension
« Nos résultats démontrent la nécessité de traiter l’angle de désalignement comme un paramètre libre lors de la mesure des masses et des spins des trous noirs », écrivent Ferdinando Patat et Michela Mapelli, astronomes qui n’ont pas participé à cette nouvelle étude, mais ont rédigé un commentaire à son sujet. C’est la première fois qu’une aussi grande différence — entre l’axe de rotation d’un trou noir et l’axe de l’orbite du système binaire auquel il appartient — est relevée de manière fiable : plus de 40 degrés !
Les chercheurs finlandais ont utilisé la polarimétrie optique (mesure des rotations optiques) pour déterminer l’axe orbital du trou noir en question. « Nous observons des rayonnements optiques et X brillants comme le dernier soupir de la matière qui s’échappe, ainsi que des émissions radio provenant des jets relativistes expulsés du système », a expliqué dans un communiqué Juri Poutanen, professeur d’astronomie à l’université de Turku et auteur principal de la publication. Les chercheurs ont alors déterminé l’axe de rotation du trou noir en surveillant ces jets.
En combinant ces observations avec des mesures précédentes du spin du trou noir et de l’inclinaison de l’orbite, ils ont trouvé un grand angle de désalignement spin-orbite. « La différence de plus de 40 degrés entre l’axe orbital et la rotation du trou noir était totalement inattendue », a poursuivi Poutanen. « Les scientifiques ont souvent supposé que cette différence était très faible lorsqu’ils ont modélisé le comportement de la matière dans un espace-temps incurvé autour d’un trou noir. Les modèles actuels sont déjà très complexes, et les nouvelles découvertes nous obligent à leur ajouter une nouvelle dimension ».
D’après les chercheurs, le fort désalignement a dû prendre place dès la formation du trou noir, avant que le système n’ait eu le temps de se redresser. Comme c’est souvent le cas, la supernova (explosion géante d’une étoile en fin de vie) à l’origine du trou noir a dû provoquer un puissant « coup de fouet », provoquant un désalignement du trou noir. Les astrophysiciens estiment que l’asymétrie dans la façon dont une supernova explose pourrait en être à l’origine.
Cette idée avait déjà été envisagée pour des systèmes similaires en 2019, mais il semble que la nouvelle observation apporte davantage de preuves.
Vue d’artiste du système binaire à rayons X MAXI J1820+070, contenant un trou noir (petit point noir au centre du disque gazeux) et une « étoile compagnon ». Un jet étroit est dirigé le long de l’axe de rotation du trou noir, fortement désaligné par rapport à l’axe de rotation de l’orbite. © Rob Hynes
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