Insight-HXMT, Le premier satellite astronomique spatial à rayons X de la Chine, a découvert une oscillation quasi-périodique à basse fréquence (QPO) au-dessus de 200 kiloélectronvolts (keV) dans un binaire de trou noir, ce qui en fait le QPO basse fréquence le plus énergétique jamais trouvé. Les scientifiques ont également découvert que le QPO provenait de la précession d'un jet relativiste (flux de plasma se déplaçant vers l'extérieur à grande vitesse) près de l'horizon des événements du trou noir. Ces découvertes ont des implications importantes pour résoudre le débat de longue date sur l'origine physique des QPO basse fréquence.

Ce travail, publié en ligne dans Astronomie de la nature le 21 septembre, a été principalement menée par des scientifiques de l'Institut de physique des hautes énergies (IHEP) de l'Académie chinoise des sciences (CAS), l'Université de Southampton (Royaume-Uni), Université Eberhard Karls de Tübingen (Allemagne), et l'Observatoire astronomique de Shanghai du CAS.

QPO basse fréquence, découvert dans les années 1980, sont une caractéristique de synchronisation d'observation courante dans les binaires de trous noirs transitoires. Ils sont quasi-périodiques, mais pas précisément périodique, modulations dans les courbes de lumière. Depuis plus de 30 ans, l'origine des QPO basse fréquence n'a pas été comprise. Les deux modèles les plus populaires expliquant leur origine sont :1) les oscillations sont causées par l'instabilité du disque d'accrétion lorsque la matière tourne et tombe finalement dans le trou noir; et 2) les modulations quasi-périodiques des rayons X sont produites par l'oscillation ou la précession de la région d'émission de rayons X coronale proche du trou noir.

Avant l'ère Insight-HXMT, Les satellites à rayons X ne pouvaient détecter et étudier que les QPO basse fréquence inférieures à 30 keV; Donc, il était difficile de tester ces modèles. Insight-HXMT, en revanche, a une large plage d'énergie efficace de 1 à 250 keV et a la plus grande surface efficace au-dessus de 30 keV. Par conséquent, après le lancement d'Insight-HXMT, les scientifiques s'attendaient à ce qu'il détecte des QPO riches en basse fréquence au-dessus de 30 keV, et ainsi pouvoir tester pleinement les modèles précédents.

Le nouveau binaire à rayons X de trou noir MAXI J1820+070, constitué d'un trou noir de plusieurs masses solaires et d'une étoile compagne, a commencé à exploser le 11 mars 2018. C'est depuis longtemps l'une des sources de rayons X les plus brillantes du ciel. Insight-HXMT a répondu rapidement et a effectué des observations de pointage à haute cadence sur cette source pendant plusieurs mois, accumuler une énorme quantité de données d'observation.

Sur la base de ces données, les scientifiques ont découvert que le QPO basse fréquence de MAXI J1820+070 apparaissait dans une large gamme d'énergie et que son énergie de détection maximale dépassait 200 keV, ce qui est presque un ordre de grandeur supérieur aux QPO précédents observés par d'autres télescopes, indiquant que le QPO ne pouvait pas provenir de la région de rayonnement thermique du disque d'accrétion. D'autres études ont révélé que la fréquence et l'amplitude de variabilité du QPO sont indépendantes de l'énergie et que le QPO à haute énergie précède celui à basse énergie.

Ces résultats sont sans ambiguïté en conflit avec la plupart des modèles actuellement existants. Par conséquent, les scientifiques ont proposé que le QPO basse fréquence était produit par la précession d'un jet près de l'horizon des événements du trou noir; la précession a probablement été causée par l'effet de traînée du cadre de la relativité générale, généré par la rotation du trou noir.

Les jets sont des flux de matière à grande vitesse se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. De nombreux jets ont été observés dans des binaires de trous noirs et des quasars distants hébergeant des trous noirs supermassifs (c. celles de millions à dizaines de milliards de masses solaires) à la radio, bandes optiques et rayons X. Les jets sont une caractéristique d'observation importante des systèmes de trous noirs, et sont le principal moyen par lequel les trous noirs influencent l'environnement environnant via une rétroaction lors de l'ingestion de matière à proximité.

Cependant, ces jets sont loin des trous noirs. Ils sont généralement situés à une distance de plus d'un million de fois l'horizon des événements du trou noir. A une si longue distance, la force gravitationnelle du trou noir n'a en fait aucun effet. Par conséquent, on ne sait pas où ces jets sont générés, à quelle distance ils sont des trous noirs, comment ils peuvent s'échapper du fort champ gravitationnel des trous noirs et comment ils sont accélérés à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.

La découverte d'Insight-HXMT est particulièrement importante car c'est la première fois qu'un jet a été trouvé à seulement des centaines de kilomètres d'un trou noir (c'est-à-dire, plusieurs fois l'horizon des événements du trou noir). En tant que jet relativiste le plus proche observé dans un trou noir jusqu'à présent, la découverte est d'une grande importance pour l'étude des effets relativistes, processus dynamiques et mécanismes de rayonnement.