Le 11 mars un instrument à bord de la Station spatiale internationale a détecté une énorme explosion de rayons X qui est devenu six fois plus brillant que la nébuleuse du Crabe, près de 10, 000 années-lumière de la Terre. Les scientifiques ont déterminé que la source était un trou noir pris au milieu d'une explosion - une phase extrême dans laquelle un trou noir peut cracher des éclats brillants d'énergie de rayons X alors qu'il dévore une avalanche de gaz et de poussière d'une étoile proche.

Maintenant, les astronomes du MIT et d'ailleurs ont détecté des "échos" dans cette rafale d'émissions de rayons X, qui, selon eux, pourraient être un indice de l'évolution des trous noirs lors d'une explosion. Dans une étude publiée aujourd'hui dans la revue La nature , l'équipe rapporte des preuves que comme le trou noir consomme d'énormes quantités de matière stellaire, sa couronne - le halo d'électrons hautement énergisés qui entoure un trou noir - se rétrécit considérablement, d'une étendue initiale d'environ 100 kilomètres (environ la largeur du Massachusetts) à seulement 10 kilomètres, en un peu plus d'un mois.

Les résultats sont la première preuve que la couronne se rétrécit à mesure qu'un trou noir se nourrit, ou accrète. Les résultats suggèrent également que c'est la couronne qui entraîne l'évolution d'un trou noir pendant la phase la plus extrême de son explosion.

"C'est la première fois que nous voyons ce genre de preuve que c'est la couronne qui rétrécit au cours de cette phase particulière d'évolution de l'explosion, " dit Jack Steiner, chercheur à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT. "La couronne est encore assez mystérieuse, et nous avons encore une vague compréhension de ce que c'est. Mais nous avons maintenant la preuve que la chose qui évolue dans le système est la structure de la couronne elle-même."

Les co-auteurs de Steiner au MIT incluent Ronald Remillard et le premier auteur Erin Kara.

échos aux rayons X

Le trou noir détecté le 11 mars a été nommé MAXI J1820+070, pour l'instrument qui l'a détecté. La mission Monitor of All-sky X-ray Image (MAXI) est un ensemble de détecteurs de rayons X installés dans le module d'expérimentation japonais de la Station spatiale internationale (ISS), qui surveille le ciel entier pour les explosions et les éruptions de rayons X.

Peu de temps après que l'instrument ait capté l'explosion du trou noir, Steiner et ses collègues ont commencé à observer l'événement avec l'explorateur de composition intérieure de l'étoile à neutrons de la NASA, ou PLUS BEAU, un autre instrument à bord de l'ISS, qui a été conçu en partie par le MIT, pour mesurer la quantité et la synchronisation des photons de rayons X entrants.

"Ce trou noir d'une luminosité éclatante est entré en scène, et il était presque complètement dégagé, donc nous avons eu une vue très vierge de ce qui se passait, ", dit Steiner.

Une explosion typique peut se produire lorsqu'un trou noir aspire d'énormes quantités de matière d'une étoile proche. Ce matériau s'accumule autour du trou noir, dans un vortex tourbillonnant appelé disque d'accrétion, qui peut s'étendre sur des millions de kilomètres. Le matériau du disque le plus proche du centre du trou noir tourne plus vite, générant des frictions qui chauffent le disque.

"Le gaz au centre a une température de millions de degrés, " dit Steiner. " Quand vous chauffez quelque chose d'aussi chaud, il brille comme des rayons X. Ce disque peut subir des avalanches et déverser son gaz sur le trou noir central à environ la valeur de gaz du mont Everest par seconde. Et c'est alors qu'il explose, qui dure généralement environ un an.

Les scientifiques ont déjà observé que les photons de rayons X émis par le disque d'accrétion peuvent envoyer un ping-pong aux électrons de haute énergie dans la couronne d'un trou noir. Steiner dit que certains de ces photons peuvent se disperser "à l'infini, " tandis que d'autres se rediffusent sur le disque d'accrétion sous forme de rayons X à plus haute énergie.

En utilisant NICER, l'équipe a pu collecter des mesures extrêmement précises de l'énergie et de la synchronisation des photons de rayons X tout au long de l'explosion du trou noir. Surtout, ils ont capté des "échos, " ou des décalages entre les photons de basse énergie (ceux qui peuvent avoir été initialement émis par le disque d'accrétion) et les photons de haute énergie (les rayons X qui ont probablement interagi avec les électrons de la couronne). Au cours d'un mois, les chercheurs ont observé que la durée de ces décalages diminuait de manière significative, indiquant que la distance entre la couronne et le disque d'accrétion diminuait également. Mais était-ce le disque ou la couronne qui se déplaçait ?

Pour répondre à cela, les chercheurs ont mesuré une signature que les astronomes appellent la "ligne de fer" - une caractéristique qui n'est émise par les atomes de fer dans un disque d'accrétion que lorsqu'ils sont sous tension, comme par la réflexion de photons de rayons X sur les électrons d'une couronne. Le fer, donc, peut mesurer la limite intérieure d'un disque d'accrétion.

Lorsque les chercheurs ont mesuré la ligne de fer tout au long de l'explosion, ils n'ont trouvé aucun changement mesurable, suggérant que le disque lui-même ne changeait pas de forme, mais restant relativement stable. Avec la preuve d'un décalage des rayons X en diminution, ils ont conclu que ce devait être la couronne qui changeait, et rétrécissant à la suite de l'explosion du trou noir.

"Nous voyons que la couronne commence comme cela gonflé, Blob de 100 kilomètres à l'intérieur du disque d'accrétion interne, puis se réduit à quelque chose comme 10 kilomètres, plus d'un mois environ, ", dit Steiner. "C'est le premier cas sans ambiguïté d'une couronne qui rétrécit alors que le disque est stable."

"NICER nous a permis de mesurer des échos lumineux plus près d'un trou noir de masse stellaire que jamais auparavant, " Kara ajoute. " Auparavant, ces échos lumineux sur le disque d'accrétion interne n'étaient visibles que dans les trous noirs supermassifs, qui représentent des millions à des milliards de masses solaires et évoluent sur des millions d'années. Les trous noirs stellaires comme J1820 ont des masses beaucoup plus faibles et évoluent beaucoup plus rapidement, afin que nous puissions voir les changements se produire à des échelles de temps humaines. »

Bien qu'on ne sache pas exactement ce qui provoque la contraction de la couronne, Steiner suppose que le nuage d'électrons de haute énergie est comprimé par la pression écrasante générée par l'avalanche de gaz du disque d'accrétion.

Les résultats offrent de nouvelles perspectives sur une phase importante de l'explosion d'un trou noir, connu comme une transition d'un état dur à un état doux. Les scientifiques ont su qu'à un moment donné au début d'une explosion, un trou noir passe d'une phase "dure" dominée par l'énergie de la couronne, à une phase "douce" qui est davantage régie par les émissions du disque d'accrétion.

"Cette transition marque un changement fondamental dans le mode d'accrétion d'un trou noir, " dit Steiner. "Mais nous ne savons pas exactement ce qui se passe. Comment un trou noir passe-t-il de la domination d'une couronne à son disque ? Le disque entre-t-il et prend-il le relais, ou la couronne change-t-elle et se dissipe-t-elle d'une manière ou d'une autre ? C'est quelque chose que les gens essaient de démêler depuis des décennies Et maintenant c'est un travail définitif en ce qui concerne ce qui se passe dans cette phase de transition, et que ce qui change, c'est la couronne."