La matière tombant dans un trou noir projette des rayons X dans l'espace - et maintenant les astronomes ont utilisé les échos de ce rayonnement pour cartographier le comportement dynamique et les environs d'un trou noir lui-même.

La plupart des trous noirs sont trop petits dans le ciel pour que nous puissions déterminer leur environnement immédiat, mais nous pouvons toujours explorer ces objets mystérieux en observant le comportement de la matière à mesure qu'elle s'approche, et tombe dans, eux.

Alors que la matière spirale vers un trou noir, il est chauffé et émet des rayons X qui, à son tour, écho et se réverbèrent lorsqu'ils interagissent avec le gaz à proximité. Ces régions de l'espace sont fortement déformées et déformées en raison de la nature extrême et de la gravité écrasante du trou noir.

Maintenant, les chercheurs ont utilisé l'observatoire à rayons X XMM-Newton de l'Agence spatiale européenne pour suivre ces échos lumineux et cartographier les environs du trou noir au cœur d'une galaxie active. Leurs résultats sont publiés dans la revue Astronomie de la nature .

Nommé IRAS 13224-3809, la galaxie hôte du trou noir est l'une des sources de rayons X les plus variables dans le ciel, subissant de très grandes et rapides fluctuations de luminosité d'un facteur 50 en quelques heures.

« Tout le monde sait à quel point l'écho de sa voix est différent lorsqu'il parle dans une salle de classe par rapport à une cathédrale - cela est simplement dû à la géométrie et aux matériaux des pièces, ce qui fait que le son se comporte et rebondit différemment, " a déclaré le Dr William Alston de l'Institut d'astronomie de Cambridge, auteur principal de la nouvelle étude.

"D'une manière similaire, on peut observer comment des échos de rayonnement X se propagent au voisinage d'un trou noir afin de cartographier la géométrie d'une région et l'état d'un amas de matière avant qu'il ne disparaisse dans la singularité. C'est un peu comme l'écho-localisation cosmique."

Comme la dynamique des chutes de gaz est fortement liée aux propriétés du trou noir consommateur, Alston et ses collègues ont également pu déterminer la masse et le spin du trou noir central de la galaxie en observant les propriétés de la matière lors de sa spirale vers l'intérieur.

Le matériau forme un disque lorsqu'il tombe dans le trou noir. Au-dessus de ce disque se trouve une région d'électrons chauds - avec des températures d'environ un milliard de degrés - appelée couronne. Alors que les scientifiques s'attendaient à voir les échos de réverbération qu'ils utilisaient pour cartographier la géométrie de la région, ils ont également repéré quelque chose d'inattendu :la couronne elle-même a rapidement changé de taille, en quelques jours.

"Comme la taille de la couronne change, la lumière résonne aussi, un peu comme si le plafond cathédrale montait et descendait, changer la façon dont l'écho de votre voix sonne, " dit Alston.

"En traquant les échos lumineux, nous avons pu suivre cette couronne changeante, et, ce qui est encore plus excitant, obtenir des valeurs bien meilleures pour la masse et le spin du trou noir que celles que nous aurions pu déterminer si la couronne ne changeait pas de taille. Nous savons que la masse du trou noir ne peut pas fluctuer, donc tout changement dans l'écho doit être dû à l'environnement gazeux."

L'étude a utilisé la plus longue observation d'un trou noir d'accrétion jamais prise avec XMM-Newton, collecté plus de 16 orbites de vaisseaux spatiaux en 2011 et 2016 et totalisant 2 millions de secondes, soit un peu plus de 23 jours. Cette, combinée à la forte variabilité à court terme du trou noir lui-même, a permis à Alston et à ses collaborateurs de modéliser les échos de manière exhaustive sur des échelles de temps d'une journée.

La région explorée dans cette étude n'est pas accessible aux observatoires tels que le télescope Event Horizon, qui a réussi à prendre la toute première photo de gaz à proximité immédiate d'un trou noir, celui qui se trouve au centre de la galaxie massive voisine M87. Le résultat, sur la base d'observations réalisées avec des radiotélescopes à travers le monde en 2017 et publiées l'année dernière, est devenu une sensation mondiale.

"L'image du télescope Event Horizon a été obtenue à l'aide d'une méthode connue sous le nom d'interférométrie, une technique qui ne peut fonctionner que sur les quelques trous noirs supermassifs les plus proches de la Terre, comme ceux de M87 et de notre galaxie d'origine, la voie Lactée, car leur taille apparente sur le ciel est suffisamment grande pour que la méthode fonctionne, " a déclaré le co-auteur Michael Parker, qui est chercheur à l'ESA au Centre européen d'astronomie spatiale près de Madrid.

"Par contre, notre approche est capable de sonder les quelques centaines de trous noirs supermassifs les plus proches qui consomment activement de la matière - et ce nombre augmentera considérablement avec le lancement du satellite Athena de l'ESA. »

Caractériser les environnements proches des trous noirs est un objectif scientifique fondamental de la mission Athena de l'ESA, dont le lancement est prévu au début des années 2030 et dévoilera les secrets de l'Univers chaud et énergétique.

Mesurer la masse, Les taux de rotation et d'accrétion d'un grand échantillon de trous noirs sont essentiels pour comprendre la gravité dans tout le cosmos. En outre, puisque les trous noirs supermassifs sont fortement liés aux propriétés de leur galaxie hôte, ces études sont également essentielles pour approfondir nos connaissances sur la formation et l'évolution des galaxies au fil du temps.

"Le grand ensemble de données fourni par XMM-Newton était essentiel pour ce résultat, " dit Norbert Schartel, Scientifique du projet ESA XMM-Newton. "La cartographie de la réverbération est une technique qui promet de révéler beaucoup de choses sur les trous noirs et l'Univers au sens large dans les années à venir. J'espère que XMM-Newton effectuera des campagnes d'observation similaires pour plusieurs galaxies plus actives dans les années à venir, afin que la méthode soit pleinement établie au lancement d'Athena."