Une étoile est tombée dans un trou noir, révélant la rotation ultrarapide de ce dernier

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Des scientifiques ont mesuré une propriété fondamentale d’un trou noir supermassif, la vitesse à laquelle il tourne, en mesurant une étoile qui s’y heurte.

Image d’entête : représentation artistique présentant du gaz chaud en orbite autour d’un trou noir qui tourne rapidement. La tache allongée représente une région brillante aux rayons X dans le disque, ce qui permet d’estimer la rotation du trou noir. (NASA/ CXC/ M. Weiss)

Il peut être difficile de mesurer les trous noirs à moins qu’ils n’aient une certaine activité, comme lorsqu’ils se heurtent ensemble ou crachent des jets de matière. Mais les scientifiques à l’origine de ce nouveau résultat ont pu mesurer la masse et la rotation d’un trou noir assez massif, démontrant ainsi que ces brèves boulimies, appelées événement de rupture par effet de marée (TDE pour tidal disruption event), pouvaient constituer une autre manière de les comprendre.

Il y a déjà eu des mesures du mouvement des trous noirs qui accumulent de plus en plus de matière sous l’influence de la gravité. Cette mesure est différente en ce sens que les chercheurs ont pu mesurer la rotation d’un trou noir qui était dormant, du moins jusqu’à ce que l’événement de rupture par effet de marée se produise.

Le 22 novembre 2014, un relevé astronomique automatique du ciel appelé All-Sky Automated Survey for SuperNovae, ou ASASSN, a repéré l’éclair. Le flash, appelé ASASSN-14li, ressemblait à un événement typique de déchiquetage d’une étoile par gravité, près du centre d’une galaxie (hébergeant le trou noir). Les scientifiques ont immédiatement cherché des « oscillations quasi périodiques« , des modèles répétitifs, mais changeants, de rayons X dont la puissance varie et dont on pense qu’ils proviennent d’un endroit très proche du trou noir. Ils ont trouvé ce qu’ils cherchaient dans les données de deux télescopes spatiaux à rayons X.

Les scientifiques ont utilisé ces émissions de rayons X pour déduire la masse et la rotation du trou noir. Et dans ce cas, ils ont estimé que la masse se situait entre quelques centaines de milliers et 10 millions de fois la masse du Soleil, et que la vitesse de rotation était de 50 % de la vitesse de la lumière, selon un communiqué du MIT basé sur les conclusions du document de recherche publié cette semaine (lien plus bas).

Les scientifiques ont utilisé les télescopes spatiaux Chandra et Hubble de la NASA, ainsi que d’autres instruments, pour étudier le système de trous noirs supermassifs ASASSN-14li et déterminer la vitesse de rotation du trou noir. (NASA/ CXC/ MIT/ D. Pasham et coll/ HST/ STScI/ I. Arcavi)

Dheeraj Pasham de l’Institut Kavli du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et  premier auteur de l’étude averti que ces valeurs sont toujours fondées sur un modèle et qu’il pourrait y avoir de multiples façons d’interpréter ces mêmes données. Et ce n’est qu’un ensemble de données, qui ne laisse pas de suite pense à valeurs de rotation et de masse. L’étude démontre ainsi une nouvelle façon importante de mesurer les propriétés de tous les trous noirs, pas seulement d’un ensemble spécifique d’entre eux.

Leurs résultats semblent cohérents avec d’autres travaux (en particulier les travaux antérieurs sur ASASSN-14li, mais aussi les travaux sur l’effet de trou noir supermassif). Leurs résultats suggèrent que les perturbations des marées devraient être régulièrement suivies par des télescopes à rayons X pour maximiser nos connaissances de leurs propriétés et c’est en effet l’objectif de Pasham et ses collègues. Il a ainsi expliqué que ces événements de perturbation des marées se produisent tous les 1000 à 10 000 ans par galaxie, alors ils espèrent pouvoir un jour mesurer plusieurs centaines de ces événements par an pour se faire une idée générale des propriétés du trou noir.

Le seul problème pourrait être la rareté de ce genre de scénario : les chercheurs pensent qu’une petite étoile naine blanche s’éloignait du trou noir sans être détectée, jusqu’à ce qu’une deuxième étoile arrive et soit tirée dans les griffes du trou noir.

Lorsque la deuxième étoile a disparu, les restes que les astronomes ont maintenant identifiés auraient été entraînés dans le sillage de la naine blanche, ce qui nous aurait permis de la voir pour la première fois, essentiellement en s’illuminant pour qu’elle puisse être détectée par des télescopes.

Selon M. Pasham :

Nous aurions été extrêmement chanceux de trouver un tel système. Mais au moins en ce qui concerne les propriétés de celui-ci, ce scénario semble fonctionner.

Au cours de la prochaine décennie, nous espérons pouvoir détecter d’autres de ces événements. Estimer les spins de plusieurs trous noirs depuis le début des temps jusqu’à aujourd’hui serait utile pour estimer s’il y a une relation entre la pirouette et l’âge des trous noirs.

L’étude publiée dans Science : A loud quasi-periodic oscillation after a star is disrupted by a massive black hole et présentée sur le site du MIT : X-ray pulse detected near event horizon as black hole devours star.