Un trou noir au centre d'une galaxie lointaine s'embrase périodiquement. Crédit :Agence spatiale européenne
Le télescope spatial à rayons X de l'ESA XMM-Newton a détecté des éruptions périodiques inédites de rayonnement X provenant d'une galaxie lointaine qui pourraient aider à expliquer certains comportements énigmatiques des trous noirs actifs.
XMM-Newton, l'observatoire à rayons X le plus puissant, découvert des éclairs mystérieux du trou noir actif au cœur de la galaxie GSN 069, à environ 250 millions d'années-lumière. Le 24 décembre 2018, on a vu la source augmenter soudainement sa luminosité jusqu'à un facteur 100, puis est revenu à ses niveaux normaux en une heure et s'est rallumé neuf heures plus tard.
"C'était complètement inattendu, " dit Giovanni Miniutti, du Centro de Astrobiología de Madrid, Espagne, auteur principal d'un nouvel article publié dans la revue La nature aujourd'hui.
"Les trous noirs géants scintillent régulièrement comme une bougie mais le rapide, répéter les changements observés dans GSN 069 à partir de décembre est quelque chose de complètement nouveau."
D'autres observations, réalisée avec XMM-Newton ainsi qu'avec l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA au cours des deux mois suivants, a confirmé que le trou noir lointain gardait toujours le tempo, émettant des rafales presque périodiques de rayons X toutes les neuf heures. Les chercheurs appellent le nouveau phénomène « éruptions quasi-périodiques, " ou QPE.
"L'émission de rayons X provient de la matière qui s'accumule dans le trou noir et se réchauffe au cours du processus, " explique Giovanni.
"Il existe différents mécanismes dans le disque d'accrétion qui pourraient donner naissance à ce type de signal quasi-périodique, potentiellement lié aux instabilités du flux d'accrétion à proximité du trou noir central.
« Alternativement, les éruptions pourraient être dues à l'interaction du matériau du disque avec un deuxième corps - un autre trou noir ou peut-être le reste d'une étoile précédemment perturbée par le trou noir."
Vue optique et radiographique. Crédit :Agence spatiale européenne
Bien que jamais observé auparavant, Giovanni et ses collègues pensent que des éruptions périodiques comme celles-ci pourraient en fait être assez courantes dans l'Univers.
Il est possible que le phénomène n'ait pas été identifié auparavant car la plupart des trous noirs au cœur des galaxies lointaines, avec des masses des millions à des milliards de fois la masse de notre Soleil, sont beaucoup plus grands que celui de GSN 069, qui n'est qu'environ 400 000 fois plus massive que notre Soleil.
Plus le trou noir est grand et massif, plus les fluctuations de luminosité qu'il peut afficher sont lentes, donc un trou noir supermassif typique n'éclaterait pas toutes les neuf heures, mais tous les quelques mois ou années. Cela rendrait la détection peu probable, car les observations s'étendent rarement sur des périodes aussi longues.
Et il y a plus. Des éruptions quasi-périodiques comme celles trouvées dans GSN 069 pourraient fournir un cadre naturel pour interpréter certains modèles déroutants observés dans une fraction significative de trous noirs actifs, dont la luminosité semble varier trop vite pour être facilement expliquée par les modèles théoriques actuels.
"Nous connaissons de nombreux trous noirs massifs dont la luminosité augmente ou diminue selon des facteurs très importants en quelques jours ou mois, alors que nous nous attendrions à ce qu'ils varient à un rythme beaucoup plus lent, " dit Giovanni.
"Mais si une partie de cette variabilité correspond aux phases de montée ou de décroissance d'éruptions similaires à celles découvertes dans GSN 069, puis la variabilité rapide de ces systèmes, qui semble actuellement irréalisable, pourrait naturellement être pris en compte. De nouvelles données et d'autres études diront si cette analogie tient vraiment. »
Les éruptions quasi-périodiques repérées dans GSN 069 pourraient également expliquer une autre propriété intrigante observée dans l'émission de rayons X de presque tous les brillants, accumulation de trous noirs supermassifs :le soi-disant « excès doux ».
Il s'agit d'une émission renforcée aux faibles énergies de rayons X, et il n'y a toujours pas de consensus sur les causes, avec une théorie dominante invoquant un nuage d'électrons chauffé près du disque d'accrétion.
Éruptions quasi-périodiques dans GSN 069. Crédit :Agence spatiale européenne
Comme des trous noirs similaires, GSN 069 exhibits such a soft X-ray excess during bursts, but not between eruptions.
"We may be witnessing the formation of the soft excess in real time, which could shed light on its physical origin, " says co-author Richard Saxton from the XMM-Newton operation team at ESA's astronomy centre in Spain.
"How the cloud of electrons is created is currently unclear, but we are trying to identify the mechanism by studying the changes in the X-ray spectrum of GSN 069 during the eruptions."
The team is already trying to pinpoint the defining properties of GSN 069 at the time when the periodic eruptions were first detected to look for more cases to study.
"One of our immediate goals is to search for X-ray quasi-periodic eruptions in other galaxies, to further understand the physical origin of this new phenomenon, " adds co-author Margherita Giustini of Madrid's Centro de Astrobiología.
"GSN 069 is an extremely fascinating source, with the potential to become a reference in the field of black hole accretion, " dit Norbert Schartel, ESA's XMM-Newton project scientist.
The discovery would not have been possible without XMM-Newton's capabilities.
"These bursts happen in the low energy part of the X-ray band, where XMM-Newton is unbeatable. We will certainly need to use the observatory again if we want to find more of these kinds of events in the future, " conclut Norbert.
"Nine-hour X-ray quasi-periodic eruptions from a low-mass black hole galactic nucleus, " by G. Miniutti et al., est publié dans La nature .
