Le 11 novembre, 2014, un réseau mondial de télescopes a capté des signaux à 300 millions d'années-lumière qui ont été créés par une éruption de perturbation de marée, une explosion d'énergie électromagnétique qui se produit lorsqu'un trou noir déchire une étoile qui passe. Depuis cette découverte, les astronomes ont entraîné d'autres télescopes sur cet événement très rare pour en savoir plus sur la façon dont les trous noirs dévorent la matière et régulent la croissance des galaxies.

Des scientifiques du MIT et de l'Université Johns Hopkins ont maintenant détecté des signaux radio de l'événement qui correspondent très étroitement aux émissions de rayons X produites par la même éruption 13 jours plus tôt. Ils croient que ces "échos radio, " qui sont similaires à plus de 90 pour cent aux émissions de rayons X de l'événement, sont plus qu'une coïncidence passagère. Au lieu, ils semblent être la preuve d'un jet géant de particules hautement énergétiques sortant du trou noir alors que de la matière stellaire y tombe.

Dheeraj Pasham, un post-doctorant au Kavli Institute for Astrophysics and Space Research du MIT, dit que les modèles très similaires suggèrent que la puissance du jet sortant du trou noir est en quelque sorte contrôlée par la vitesse à laquelle le trou noir se nourrit de l'étoile oblitérée.

"Cela nous dit que le taux d'alimentation du trou noir contrôle la force du jet qu'il produit, " dit Pasham. " Un trou noir bien alimenté produit un jet puissant, tandis qu'un trou noir mal nourri produit un jet faible ou pas de jet du tout. C'est la première fois que nous voyons un jet contrôlé par un trou noir supermassif qui se nourrit."

Pasham dit que les scientifiques ont soupçonné que les jets de trous noirs sont alimentés par leur taux d'accrétion, mais ils n'ont jamais pu observer cette relation à partir d'un seul événement.

"Vous ne pouvez le faire qu'avec ces événements spéciaux où le trou noir est simplement assis là à ne rien faire, et puis soudain vient une étoile, en lui donnant beaucoup de carburant pour s'alimenter, " dit Pasham. " C'est l'occasion parfaite d'étudier de telles choses à partir de zéro, essentiellement."

Pasham et son collaborateur, Sjoert van Velzen de l'Université Johns Hopkins, rapportent leurs résultats dans un article publié cette semaine dans le Journal d'astrophysique .

A débattre

Sur la base de modèles théoriques d'évolution des trous noirs, combiné avec des observations de galaxies lointaines, les scientifiques ont une compréhension générale de ce qui se passe lors d'un événement de perturbation de marée :lorsqu'une étoile passe près d'un trou noir, l'attraction gravitationnelle du trou noir génère des forces de marée sur l'étoile, semblable à la façon dont la lune agite les marées sur Terre.

Cependant, les forces gravitationnelles d'un trou noir sont si immenses qu'elles peuvent perturber l'étoile, l'étirer et l'aplatir comme une crêpe et finalement déchiqueter l'étoile en morceaux. À la suite, une pluie de débris stellaires pleut et se retrouve pris dans un disque d'accrétion, un tourbillon de matière cosmique qui finit par s'écouler et alimente le trou noir.

L'ensemble de ce processus génère des rafales d'énergie colossales à travers le spectre électromagnétique. Les scientifiques ont observé ces sursauts dans l'optique, ultra-violet, et bandes à rayons X, et aussi occasionnellement dans l'extrémité radio du spectre. On pense que la source des émissions de rayons X est un matériau ultra chaud dans les régions les plus internes du disque d'accrétion, qui est sur le point de tomber dans le trou noir. Les émissions optiques et ultraviolettes proviennent probablement de matériaux plus loin dans le disque, qui finira par être entraîné dans le trou noir.

Cependant, ce qui donne lieu à des émissions radio lors d'une éruption de perturbation de marée a fait l'objet d'un débat.

"Nous savons que les ondes radio proviennent d'électrons vraiment énergétiques qui se déplacent dans un champ magnétique - c'est un processus bien établi, " Pasham dit. " Le débat a été, d'où viennent ces électrons vraiment énergétiques ?"

Certains scientifiques proposent que, dans les instants qui ont suivi l'explosion stellaire, une onde de choc se propage vers l'extérieur et énergise les particules de plasma dans le milieu environnant, dans un processus qui à son tour émet des ondes radio. Dans un tel scénario, le schéma des ondes radio émises serait radicalement différent du schéma des rayons X produits par la chute de débris stellaires.

"Ce que nous avons trouvé remet fondamentalement en cause ce paradigme, " dit Pasham.

Un modèle changeant

Pasham et van Velzen ont examiné les données enregistrées à partir d'une éruption de perturbation de marée découverte en 2014 par le réseau mondial de télescopes ASASSN (All-sky Automated Survey for Supernovae). Peu de temps après la découverte initiale, plusieurs télescopes électromagnétiques focalisés sur l'événement, que les astronomes ont inventé ASASSN-14li. Pasham et van Velzen ont parcouru les données radio de trois télescopes de l'événement sur 180 jours.

Les chercheurs ont examiné les données radio compilées et ont découvert une nette ressemblance avec les modèles qu'ils avaient précédemment observés dans les données radiographiques du même événement. Lorsqu'ils adaptent les données radio aux données radiographiques, et déplacé les deux pour comparer leurs similitudes, ils ont trouvé que les ensembles de données étaient les plus similaires, avec une ressemblance à 90 pour cent, lorsqu'il est décalé de 13 jours. C'est-à-dire, the same fluctuations in the X-ray spectrum appeared 13 days later in the radio band.

"The only way that coupling can happen is if there is a physical process that is somehow connecting the X-ray-producing accretion flow with the radio-producing region, " Pasham says.

From this same data, Pasham and van Velzen calculated the size of the X-ray-emitting region to be about 25 times the size of the sun, while the radio-emitting region was about 400, 000 times the solar radius.

"It's not a coincidence that this is happening, " Pasham says. "Clearly there's a causal connection between this small region producing X-rays, and this big region producing radio waves."

The team proposes that the radio waves were produced by a jet of high-energy particles that began to stream out from the black hole shortly after the black hole began absorbing material from the exploded star. Because the region of the jet where these radio waves first formed was incredibly dense (tightly packed with electrons), a majority of the radio waves were immediately absorbed by other electrons.

It was only when electrons traveled downstream of the jet that the radio waves could escape—producing the signal that the researchers eventually detected. Ainsi, they say, the strength of the jet must be controlled by the accretion rate, or the speed at which the black hole is consuming X-ray-emitting stellar debris.

Finalement, the results may help scientists better characterize the physics of jet behavior—an essential ingredient in modeling the evolution of galaxies. It's thought that galaxies grow by producing new stars, a process that requires very cold temperatures. When a black hole emits a jet of particles, it essentially heats up the surrounding galaxy, putting a temporary stop on stellar production. Pasham says the team's new insights into jet production and black hole accretion may help to simplify models of galaxy evolution.

"If the rate at which the black hole is feeding is proportional to the rate at which it's pumping out energy, and if that really works for every black hole, it's a simple prescription you can use in simulations of galaxy evolution, " Pasham says. "So this is hinting toward some bigger picture."

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.