Une décennie de données pour imager les jets de particules émis par un trou noir supermassif dévorant une étoile

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À près de 150 millions d’années-lumière de la Terre, deux lointaines galaxies ont entamé une danse tragique qui enflammera des milliards de soleils comme des feux d’artifice. Cependant, au cœur de l’une de ces galaxies se déroule un autre événement cataclysmique. Pour la première fois, des astronomes ont directement imaginé un trou noir supermassif éjectant un jet de particules rapide qui déchiquette une étoile qui passe.

Image d’entête : Représentation artistique d’un événement de rupture par effet de marée dans Arp 299. La puissante gravité du trou noir supermassif déchiquette l’étoile passante, entraînant le matériel dans le disque tournant autour du trou noir, et lançant un jet de particules vers l’extérieur. La représentation d’Arp 299 en image de fond, une paire de galaxies en collision, est une image obtenue par le télescope spatial Hubble. (Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF/ NASA/ STScI)

Les trous noirs supermassifs ne sont pas les trous noirs stellaires ordinaires dont la masse n’est qu’un couple de fois celle de notre soleil. Au contraire, ces objets peuvent avoir des millions ou, dans certains cas extrêmes, des milliards de masses solaires. Pratiquement chaque galaxie a un trou noir supermassif qui se cache en son centre, ce qui influence directement son développement. Notre propre galaxie, la Voie lactée, ne fait pas exception.

L’énorme attraction gravitationnelle d’un trou noir supermassif attirera activement les matériaux de son environnement, mais ils ne seront pas tous avalés en même temps. Au lieu de cela, le trou noir formera un disque rotatif autour de lui et produira des jets ultrarapides de particules à partir des pôles du disque à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.

En 2005, des astronomes travaillant avec le télescope spatial William Herschel aux îles Canaries ont identifié un éclat lumineux d’émission infrarouge provenant du noyau de l’une des galaxies en collision d’Arp 299. Un peu plus tard, le Very Long Baseline Array (VLBA) de la National Science Foundation (États-Unis) a révélé une nouvelle source distincte d’émissions radio au même endroit.

GIF présentant l’expansion de la région émettrice d’onde radio où l’étoile a été déchiquetée par un trou noir supermassif. L’expansion indique un jet de particules se déplaçant vers l’extérieur. (Mattila/ Perez-Torres et col./ Bill Saxton/ NRAO/AUI/NSF)

Selon Seppo Mattila, de l’université de Turku en Finlande :

Au fil du temps, le nouvel objet est resté brillant aux longueurs d’onde infrarouges et radio, mais pas à la lumière visible et aux rayons X. L’explication la plus probable est que le gaz interstellaire épais et la poussière près du centre de la galaxie ont absorbé les rayons X et la lumière visible, puis les ont réémis sous forme d’infrarouge.

Des observations continues avec le VLBA et d’autres radiotélescopes ont confirmé la présence d’une source d’émissions radio en expansion dans une direction, typique d’un avion à réaction, tout comme les scientifiques s’y attendaient.

Le Very Long Baseline Array (VLBA) est un interféromètre massif composé de 10 antennes identiques sur des lignes de base transcontinentales s’étendant jusqu’à 8 000 km, du Mauna Kea, à Hawaii à Sainte-Croix dans les îles Vierges.

Les différents radiotélescopes du Very Long Baseline Array. (VLBO)

Ces multiples antennes radio séparées par des milliers de kilomètres permettent au VLBA d’acquérir un incroyable pouvoir de résolution, la capacité de voir des détails fins, nécessaires pour observer les caractéristiques d’un objet en expansion à des millions d’années-lumière de distance. Le VLBA observe à des longueurs d’onde de 28 cm à 3 mm (1,2 GHz à 96 GHz) dans 8 bandes discrètes plus deux bandes étroites de sous-gigahertz, comprenant les lignes spectrales primaires qui produisent une émission maser (microwave amplification by stimulated emission of radiation) à haute luminosité.

Selon les chercheurs, le faisceau est émis par un trou noir supermassif, situé au cœur d’une des paires de galaxies en collision appelée Arp 299. Le trou noir est environ 20 millions de fois plus massif que le Soleil et déchiquette actuellement une étoile deux fois plus massive que le Soleil, qui a eu la malchance de dériver trop près du monstre gargantuesque. Le jet ultrarapide de particules chargées émises par le trou noir renferme 125 milliards de fois la quantité d’énergie que le soleil libère chaque année.

Seuls un petit nombre de ces morts stellaires appelées événements de rupture par effet de marée , ou TDE pour Tidal Disruption Event, ont été détectés. Les salves se propagent sur tout le spectre électromagnétique : radio, visible et ultraviolet jusqu’aux rayons X et gamma.

Selon Miguel Perez-Torres, de l’Institut Astrophysique d’Andalousie à Grenade, en Espagne :

Jamais auparavant nous n’avons pu observer directement la formation et l’évolution d’un jet à partir d’un de ces événements.

Comme la poussière autour du trou noir absorbait la lumière visible, ce TDE en particulier pourrait être le signe que se cache tout un tas d’événements similaires, la pointe de l’iceberg en quelque sorte. Mattila et Perez-Torres espèrent découvrir beaucoup d’autres événements de ce genre et en tirer des informations à l’aide de télescopes infrarouges et de radiotélescopes dirigés vers des sources candidates.

Les TDE sont importants pour l’astronomie puisqu’ils donnent un aperçu unique sur la formation et de l’évolution des jets à proximité d’objets massifs. De tels événements sont probablement communs dans l’univers lointain et leur étude fera progresser notre compréhension des galaxies qui se sont développées il y a des milliards d’années.

L’étude publiée dans Science : A dust-enshrouded tidal disruption event with a resolved radio jet in a galaxy merger etr présentée sur le site du NRAO : Astronomers See Distant Eruption as Black Hole Destroys Star.