Des astrophysiciens observent la destruction et la réapparition de la couronne d’un trou noir

disparition couronne
[ NASA/JPL-Caltech

Au cours des dernières années, les astrophysiciens ont pu identifier différentes structures autour des trous noirs, comme le disque d’accrétion et la sphère de photons. Les trous noirs supermassifs ont également la faculté de former une sphère de particules à très haute énergie autour de l’horizon des événements, une structure appelée couronne. Récemment, une équipe de chercheurs a pour la première fois observé la disparition soudaine de la couronne d’un trou noir, qui est lentement réapparue par la suite. Une observation inédite qui devrait permettre aux astrophysiciens de mieux comprendre la couronne des trous noirs.

Pour la première fois, des astronomes du MIT ont vu la couronne d’un trou noir supermassif, l’anneau ultrabrillant à des milliards de degrés de particules de haute énergie qui entoure l’horizon des événements d’un trou noir, être brusquement détruite. La cause de cette transformation spectaculaire n’est pas claire, bien que les chercheurs supposent que la source de l’événement ait pu être une étoile prise dans l’attraction gravitationnelle du trou noir.

L’étoile peut avoir ricoché à travers le disque de matériau tourbillonnant du trou noir, provoquant la chute d’une grande quantité de matériau, y compris les particules à haute énergie de la couronne, dans le trou noir. Le résultat, comme les astronomes l’ont observé, a été une baisse abrupte et surprenante de la luminosité du trou noir, d’un facteur 10’000, en moins d’un an. Les résultats ont été publiés dans la revue The Astrophysical Journal Letters.

« Nous nous attendons à ce que des changements de luminosité aussi importants varient sur des échelles de temps de plusieurs milliers à des millions d’années. Mais dans cet objet, nous l’avons vu changer de 10’000 sur un an, et il a même changé d’un facteur 100 en huit heures, ce qui est tout simplement inédit et vraiment époustouflant », explique Erin Kara, professeur de physique au MIT.

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Après la disparition de la couronne, les astronomes ont continué à regarder le trou noir commencer à rassembler lentement le matériau de ses bords extérieurs pour reformer son disque d’accrétion tourbillonnant, qui à son tour a commencé à émettre des rayons X à haute énergie près de l’horizon des événements du trou noir. De cette façon, en quelques mois seulement, le trou noir a pu générer une nouvelle couronne, presque de retour à sa luminosité d’origine.

Une disparition trahie par une augmentation et diminution soudaines de luminosité

En mars 2018, une explosion inattendue a été captée par l’ASSASN, le relevé automatisé All-Sky pour Super-Novae, qui surveille tout le ciel nocturne pour détecter l’activité des supernovas. L’observation a enregistré un flash depuis 1ES 1927+654, un noyau galactique actif, ou AGN, qui est un type de trou noir supermassif avec une luminosité supérieure à la normale au centre d’une galaxie. ASSASN a observé que la luminosité de l’objet a augmenté d’environ 40 fois sa luminosité normale.

L’équipe a utilisé plusieurs télescopes pour observer le trou noir dans les domaines des rayons X, optique et ultraviolet. La plupart de ces télescopes étaient pointés périodiquement sur le trou noir, par exemple en enregistrant des observations pour une journée entière, tous les six mois. L’équipe a également observé quotidiennement le trou noir avec le télescope NICER de la NASA, un télescope à rayons X beaucoup plus petit, installé à bord de la Station spatiale internationale, avec des détecteurs développés et construits par des chercheurs du MIT.

Avec des observations fréquentes, les chercheurs ont pu observer le trou noir alors qu’il diminuait précipitamment en luminosité, dans pratiquement toutes les bandes d’ondes qu’ils ont mesurées, et en particulier dans la bande de rayons X à haute énergie — une observation qui a signalé que la couronne du trou noir s’était complètement et soudainement vaporisée.

Couronne des trous noirs : le rôle potentiel du champ magnétique

Les physiciens ne savent pas exactement ce qui cause la formation d’une couronne, mais ils pensent que cela a quelque chose à voir avec la configuration des lignes de champ magnétique qui traversent le disque d’accrétion d’un trou noir. Aux régions extérieures du disque tourbillonnant de matériau d’un trou noir, les lignes de champ magnétique sont plus ou moins dans une configuration simple. Plus près, et particulièrement près de l’horizon des événements, la matière tourne avec plus d’énergie, d’une manière qui peut provoquer des torsions et des cassures des lignes de champ magnétique, puis des reconnexions.

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Cet enchevêtrement d’énergie magnétique pourrait faire tourner des particules près du trou noir, au niveau des rayons X à haute énergie, formant la couronne qui entoure le trou noir. Kara et ses collègues pensent que si une étoile était en effet le coupable de la disparition de la couronne, elle aurait d’abord été déchiquetée par l’attraction gravitationnelle du trou noir, dispersant des débris stellaires à travers le disque d’accrétion. Cela peut avoir provoqué le flash temporaire de luminosité capturé par ASSASN.

Une étoile à l’origine de la disparition de la couronne ?

Cette perturbation gravitationnelle aurait fait tomber une grande partie de la matière du disque dans le trou noir. Elle aurait également pu ébranler les lignes de champ magnétique du disque d’une manière telle qu’il ne pourrait plus générer et prendre en charge une couronne à haute énergie. Ce dernier point est potentiellement important pour comprendre comment se forment les couronnes. Selon la masse d’un trou noir, il existe un certain rayon dans lequel une étoile sera très certainement attirée par la gravité d’un trou noir.

chronologie couronne
Schéma montrant le déroulement de la disparition de la couronne dans le cas où une étoile est impliquée. Crédits : C. Ricci et al. 2020

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« Ce que cela nous dit, c’est que, si toute l’action se déroule dans ce rayon de perturbation gravitationnelle, cela signifie que la configuration du champ magnétique qui supporte la couronne doit être dans ce rayon. Ce qui signifie que, pour toute couronne normale, les champs magnétiques dans ce rayon sont responsables de la création d’une couronne », explique Kara.

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Les chercheurs ont calculé que si une étoile était en effet la cause de la couronne manquante du trou noir, et si une couronne devait se former dans un trou noir supermassif de taille similaire, elle le ferait dans un rayon d’environ 4 minutes-lumière — une distance qui se traduit à environ 75 millions de kilomètres du centre du trou noir.

Sources : The Astrophysical Journal Letters

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