Au centre d'une galaxie lointaine, près de 300 millions d'années-lumière de la Terre, des scientifiques ont découvert un trou noir supermassif qui "s'étouffe" avec un afflux soudain de débris stellaires.

Dans un article publié aujourd'hui dans Lettres de revues astrophysiques , chercheurs du MIT, Centre de vol spatial Goddard de la NASA, et ailleurs font état d'une "éruption de perturbation de marée" - une explosion dramatique d'activité électromagnétique qui se produit lorsqu'un trou noir efface une étoile proche. La fusée a été découverte pour la première fois le 11 novembre. 2014, et les scientifiques ont depuis formé une variété de télescopes sur l'événement pour en savoir plus sur la croissance et l'évolution des trous noirs.

L'équipe dirigée par le MIT a examiné les données recueillies par deux télescopes différents et a identifié un motif curieux dans l'énergie émise par l'éruption :alors que la poussière de l'étoile oblitérée tombait dans le trou noir, les chercheurs ont observé de petites fluctuations dans les bandes optiques et ultraviolettes (UV) du spectre électromagnétique. Ce même schéma s'est répété 32 jours plus tard, cette fois dans la bande de rayons X.

Les chercheurs ont utilisé des simulations de l'événement réalisées par d'autres pour déduire que de tels « échos » d'énergie étaient produits à partir du scénario suivant :lorsqu'une étoile a migré près du trou noir, il a été rapidement déchiré par l'énergie gravitationnelle du trou noir. Les débris stellaires résultants, tourbillonnant toujours plus près du trou noir, est entré en collision avec lui-même, émettant des rafales de lumière optique et UV sur les sites de collision. Comme il a été tiré plus loin, les débris en collision se sont réchauffés, produire des fusées éclairantes à rayons X, dans le même schéma que les salves optiques, juste avant que les débris ne tombent dans le trou noir.

« En substance, ce trou noir n'a pas eu de quoi se nourrir depuis un moment, et soudain arrive une étoile malchanceuse pleine de matière, " dit Dheeraj Pasham, le premier auteur de l'article et un post-doctorant au Kavli Institute for Astrophysics and Space Research du MIT. "Ce que nous voyons, c'est ce matériau stellaire n'est pas simplement alimenté en continu sur le trou noir, mais il interagit avec lui-même, s'arrête et s'en va, s'arrêter et partir. Cela nous dit que le trou noir « s'étouffe » avec cet approvisionnement soudain de débris stellaires. »

Les co-auteurs de Pasham incluent le postdoctorant MIT Kavli Aleksander Sadowski et des chercheurs du Goddard Space Flight Center de la NASA, l'Université du Maryland, le Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian, Université de Columbia, et l'Université Johns Hopkins.

Une observation "chanceuse"

Pasham dit que les éruptions de perturbation des marées sont une fenêtre potentielle sur les nombreux trous noirs "cachés" de l'univers, qui ne s'accumulent pas activement, ou se nourrir de matière.

"Presque toutes les galaxies massives contiennent un trou noir supermassif, " dit Pasham. " Mais nous ne le saurons pas s'ils restent assis à ne rien faire, à moins qu'il n'y ait un événement comme une éruption de perturbation de marée."

De telles éruptions se produisent lorsqu'une étoile, migrer près d'un trou noir, se sépare de l'immense énergie gravitationnelle du trou noir. Cet effacement stellaire peut dégager d'incroyables bouffées d'énergie tout au long du spectre électromagnétique, de la bande radio, par les longueurs d'onde optiques et UV, et à travers les bandes de rayons X et de rayons gamma de haute énergie. Aussi extrêmes qu'ils soient, les éruptions de perturbation des marées sont difficiles à observer, car ils se produisent rarement.

"Vous devriez regarder une galaxie pendant environ 10, 000 à 100, 000 ans pour voir une étoile perturbée par le trou noir au centre, " dit Pasham.

Néanmoins, le 11 novembre 2014, un réseau mondial de télescopes robotiques nommé ASASSN (All Sky Automated Survey for SuperNovae) a capté les signaux d'une possible éruption de perturbation de marée provenant d'une galaxie distante de 300 millions d'années-lumière. Les scientifiques ont rapidement concentré d'autres télescopes sur l'événement, dont le télescope à rayons X du satellite Swift de la NASA, un vaisseau spatial en orbite qui balaye le ciel pour des rafales d'énergie extrêmement élevée.

"Ce n'est que récemment que les télescopes ont commencé à se " parler ", et pour cet événement particulier nous avons eu de la chance car beaucoup de gens étaient prêts pour cela, " Pasham dit. "Cela a juste abouti à beaucoup de données."

Une collision lumineuse

En accédant à ces données, Pasham et ses collègues voulaient résoudre un mystère de longue date :où les éclats de lumière d'une éruption sont-ils apparus pour la première fois ? En utilisant des modèles de dynamique de trou noir, les scientifiques ont pu estimer que lorsqu'un trou noir déchire une étoile, l'éruption de perturbation de marée qui en résulte peut produire des émissions de rayons X très proches du trou noir. Mais il a été difficile de déterminer l'origine des émissions optiques et UV. Ce serait une étape supplémentaire vers la compréhension de ce qui se passe lorsqu'une étoile est perturbée.

"Les trous noirs supermassifs et leurs galaxies hôtes se développent in situ, " dit Pasham. " Savoir exactement ce qui se passe dans les éruptions de perturbation des marées pourrait nous aider à comprendre ce processus de coévolution entre les trous noirs et les galaxies. "

Les chercheurs ont étudié les 270 premiers jours suivant la détection de l'éruption de perturbation des marées, nommé ASASSN-14li. En particulier, ils ont analysé les données radiographiques et optiques/UV prises par le satellite Swift et le Las Cumbres Observatory Global

Télescope. Ils ont identifié des fluctuations, ou éclate, dans la bande des rayons X - deux larges pics (un autour du jour 50, et l'autre vers le jour 110) suivi d'une courte baisse vers le jour 80. Ils ont identifié ce même schéma dans les données optiques/UV quelque 32 jours plus tôt.

Pour expliquer ces « échos d'émission, " l'équipe a exécuté des simulations d'une éruption de perturbation de marée produite à partir d'un trou noir oblitérant une étoile. Les chercheurs ont modélisé le disque d'accrétion résultant - un disque elliptique de débris stellaires tourbillonnant autour du trou noir - ainsi que sa vitesse probable, rayon, et taux de chute, ou la vitesse à laquelle la matière tombe sur le trou noir.

À partir de simulations exécutées par d'autres, les chercheurs concluent que les sursauts optiques et UV sont probablement dus à la collision de débris stellaires sur le périmètre extérieur du trou noir. Alors que ce matériau en collision se rapproche du trou noir, ça chauffe, émettant à terme des émissions de rayons X, qui peut être en retard sur les émissions optiques, similaire à ce que les scientifiques ont observé dans les données.

"Pour les trous noirs supermassifs qui s'accumulent régulièrement, vous ne vous attendriez pas à ce que cet étouffement se produise, " dit Pasham. " Le matériau autour du trou noir tournerait lentement et perdrait de l'énergie à chaque orbite circulaire. Mais ce n'est pas ce qui se passe ici. Parce que vous avez beaucoup de matière qui tombe sur le trou noir, il interagit avec lui-même, retomber, et interagir à nouveau. S'il y a d'autres événements à l'avenir, peut-être pouvons-nous voir si c'est ce qui se passe pour d'autres éruptions de perturbation des marées."