Le 22 novembre, 2014, les astronomes ont repéré un événement rare dans le ciel nocturne :un trou noir supermassif au centre d'une galaxie, à près de 300 millions d'années-lumière de la Terre, déchirant une étoile qui passe. L'événement, connu sous le nom d'éruption de perturbation de marée, pour l'énorme force de marée du trou noir qui déchire une étoile, créé une explosion d'activité de rayons X près du centre de la galaxie. Depuis, une multitude d'observatoires se sont penchés sur l'événement, dans l'espoir d'en savoir plus sur la façon dont les trous noirs se nourrissent.

Aujourd'hui, des chercheurs du MIT et d'ailleurs se sont penchés sur les données des observations de l'événement par plusieurs télescopes, et découvert une curieusement intense, stable, et impulsion périodique, ou signaler, des rayons X, dans tous les ensembles de données. Le signal semble émaner d'une zone très proche de l'horizon des événements du trou noir, le point au-delà duquel la matière est inévitablement avalée par le trou noir. Le signal semble s'éclaircir et s'estomper périodiquement toutes les 131 secondes, et persiste pendant au moins 450 jours.

Les chercheurs pensent que tout ce qui émet le signal périodique doit être en orbite autour du trou noir, juste en dehors de l'horizon des événements, près de l'orbite circulaire stable la plus interne, ou ISCO, la plus petite orbite sur laquelle une particule peut se déplacer en toute sécurité autour d'un trou noir.

Étant donné la proximité stable du signal avec le trou noir, et la masse du trou noir, que les chercheurs estimaient auparavant à environ 1 million de fois celle du soleil, l'équipe a calculé que le trou noir tourne à environ 50 pour cent de la vitesse de la lumière.

Les résultats, rapporté aujourd'hui dans le journal Science , sont la première démonstration d'une éruption de perturbation de marée utilisée pour estimer la rotation d'un trou noir.

Le premier auteur de l'étude, Dheeraj Pasham, un post-doctorant au Kavli Institute for Astrophysics and Space Research du MIT, dit que la plupart des trous noirs supermassifs sont dormants et n'émettent généralement pas beaucoup de rayons X. Ce n'est qu'occasionnellement qu'ils libèrent un sursaut d'activité, comme lorsque les étoiles se rapprochent suffisamment pour que les trous noirs les dévorent. Maintenant, il dit que, vu les résultats de l'équipe, de telles éruptions de perturbation de marée peuvent être utilisées pour estimer la rotation des trous noirs supermassifs - une caractéristique qui a été, jusqu'à maintenant, incroyablement difficile à cerner.

"Les événements où les trous noirs déchiquettent les étoiles qui s'approchent trop d'eux pourraient nous aider à cartographier les spins de plusieurs trous noirs supermassifs qui sont dormants et autrement cachés au centre des galaxies, ", dit Pasham. "Cela pourrait finalement nous aider à comprendre comment les galaxies ont évolué au cours du temps cosmique."

Les co-auteurs de Pasham incluent Ronald Remillard, Jeroen Homan, Deepto Chakrabarty, Frédéric Baganoff, et James Steiner du MIT; Alessia Franchini à l'Université du Nevada; Chris Fragile du Collège de Charleston; Nicholas Stone de l'Université Columbia; Eric Coughlin de l'Université de Californie à Berkeley; et Nishanth Pasham, de Sunnyvale, Californie.

Un vrai signal

Les modèles théoriques des éruptions de perturbation des marées montrent que lorsqu'un trou noir déchiquette une étoile, une partie du matériel de cette étoile peut rester en dehors de l'horizon des événements, en cercle, au moins temporairement, en orbite stable comme l'ISCO, et émettant des flashs périodiques de rayons X avant d'être finalement alimentés par le trou noir. La périodicité des flashs de rayons X encode ainsi des informations clés sur la taille de l'ISCO, qui lui-même est dicté par la vitesse à laquelle le trou noir tourne.

Pasham et ses collègues pensaient que s'ils pouvaient voir des éclairs aussi réguliers très près d'un trou noir qui avait subi un récent événement de perturbation de la marée, ces signaux pourraient leur donner une idée de la vitesse de rotation du trou noir.

Ils ont concentré leur recherche sur ASASSN-14li, l'événement de perturbation de marée que les astronomes ont identifié en novembre 2014, en utilisant le sondage automatisé au sol All-Sky pour SuperNovae (ASASSN).

"Ce système est passionnant parce que nous pensons que c'est une affiche pour les fusées éclairantes de perturbation des marées, " dit Pasham. " Cet événement particulier semble correspondre à de nombreuses prédictions théoriques. "

L'équipe a examiné les ensembles de données archivés de trois observatoires qui ont collecté des mesures aux rayons X de l'événement depuis sa découverte :l'observatoire spatial XMM-Newton de l'Agence spatiale européenne, et les observatoires spatiaux Chandra et Swift de la NASA. Pasham a précédemment développé un code informatique pour détecter des modèles périodiques dans les données astrophysiques, mais pas spécifiquement pour les événements de perturbation des marées. Il a décidé d'appliquer son code aux trois ensembles de données pour ASASSN-14li, pour voir si des motifs périodiques communs remonteraient à la surface.

Ce qu'il a observé était un étonnamment fort, stable, et des sursauts périodiques de rayons X qui semblaient provenir de très près du bord du trou noir. Le signal pulsait toutes les 131 secondes, plus de 450 jours, et était extrêmement intense, environ 40 % au-dessus de la luminosité moyenne des rayons X du trou noir.

"Au début, je n'y croyais pas parce que le signal était si fort, " dit Pasham. "Mais nous l'avons vu dans les trois télescopes. Donc au final, le signal était réel."

En fonction des propriétés du signal, et la masse et la taille du trou noir, l'équipe a estimé que le trou noir tourne au moins à 50 pour cent de la vitesse de la lumière.

"Ce n'est pas super rapide, il y a d'autres trous noirs avec des rotations estimées à près de 99% de la vitesse de la lumière, " dit Pasham. "Mais c'est la première fois que nous sommes capables d'utiliser des fusées éclairantes de perturbation de marée pour contraindre les spins des trous noirs supermassifs."

Illuminer l'invisible

Une fois que Pasham a découvert le signal périodique, il appartenait aux théoriciens de l'équipe de trouver une explication à ce qui pouvait l'avoir généré. L'équipe a imaginé divers scénarios, mais celui qui semble le plus susceptible de générer un si fort, Une éruption de rayons X régulière implique non seulement un trou noir déchiquetant une étoile qui passe, mais aussi un type d'étoile plus petit, connue sous le nom de naine blanche, en orbite près du trou noir.

Une telle naine blanche a peut-être fait le tour du trou noir supermassif, à ISCO - l'orbite circulaire stable la plus interne - pendant un certain temps. Seul, il n'aurait pas suffi d'émettre une quelconque sorte de rayonnement détectable. À toutes fins utiles, la naine blanche aurait été invisible aux télescopes alors qu'elle tournait autour du relativement inactif, trou noir en rotation.

Vers le 22 novembre, 2014, une deuxième étoile est passée suffisamment près du système pour que le trou noir l'ait déchiré dans une éruption de perturbation de marée qui a émis une énorme quantité de rayonnement X, sous forme de chaud, matière stellaire déchiquetée. Alors que le trou noir tirait ce matériau vers l'intérieur, certains des débris stellaires sont tombés dans le trou noir, tandis que certains sont restés juste à l'extérieur, dans l'orbite stable la plus interne - la même orbite dans laquelle la naine blanche a tourné. Lorsque la naine blanche est entrée en contact avec ce matériau stellaire chaud, il l'a probablement traîné comme une sorte de pardessus lumineux, éclairant la naine blanche d'une quantité intense de rayons X à chaque fois qu'elle a fait le tour du trou noir, toutes les 131 secondes.

Les scientifiques admettent qu'un tel scénario serait incroyablement rare et ne durerait que plusieurs centaines d'années au plus, un clin d'œil à l'échelle cosmique. Les chances de détecter un tel scénario seraient extrêmement minces.

"Le problème avec ce scénario est que, si vous avez un trou noir dont la masse est 1 million de fois celle du soleil, et une naine blanche en fait le tour, puis à un moment donné sur quelques centaines d'années, la naine blanche plongera dans le trou noir, " Pasham dit. "Nous aurions été extrêmement chanceux de trouver un tel système. Mais au moins en termes de propriétés du système, ce scénario semble fonctionner."

L'importance primordiale des résultats est qu'ils montrent qu'il est possible de contraindre le spin d'un trou noir, des événements de perturbation des marées, selon Pasham. Aller de l'avant, il espère identifier des modèles stables similaires dans d'autres événements de déchiquetage d'étoiles, des trous noirs qui résident plus loin dans l'espace et le temps.

« Au cours de la prochaine décennie, nous espérons détecter plus de ces événements, " dit Pasham. " Estimer les spins de plusieurs trous noirs depuis le début des temps jusqu'à maintenant serait utile pour estimer s'il existe une relation entre le spin et l'âge des trous noirs. "