Le 9 septembre 2018, les astronomes ont repéré un éclair provenant d'une galaxie à 860 millions d'années-lumière. La source était un trou noir supermassif d'environ 50 millions de fois la masse du soleil. Normalement calme, le géant gravitationnel s'est soudainement réveillé pour dévorer une étoile qui passait dans un cas rare connu sous le nom d'événement de perturbation de la marée. Alors que les débris stellaires tombaient vers le trou noir, il a libéré une énorme quantité d'énergie sous forme de lumière.

Chercheurs du MIT, l'Observatoire Européen Austral, et ailleurs utilisé plusieurs télescopes pour surveiller l'événement, étiqueté AT2018fyk. A leur grande surprise, ils ont observé que lorsque le trou noir supermassif a consumé l'étoile, il présentait des propriétés similaires à celles de beaucoup plus petits, trous noirs de masse stellaire.

Les résultats, publié aujourd'hui dans le Journal d'astrophysique, suggèrent que l'accrétion, ou la façon dont les trous noirs évoluent lorsqu'ils consomment de la matière, est indépendant de leur taille.

"Nous l'avons démontré, si vous avez vu un trou noir, vous les avez tous vus, en un sens, " dit l'auteur de l'étude Dheeraj "DJ" Pasham, chercheur à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT. "Quand tu leur lances une boule de gaz, ils semblent tous faire plus ou moins la même chose. C'est la même bête en termes d'accrétion."

Les co-auteurs de Pasham comprennent le chercheur principal Ronald Remillard et l'ancien étudiant diplômé Anirudh Chiti au MIT, avec des chercheurs de l'Observatoire européen austral, L'université de Cambridge, Université de Leyde, L'Université de New York, l'Université du Maryland, Université Curtin, l'Université d'Amsterdam, et le Goddard Space Flight Center de la NASA.

Un réveil stellaire

Lorsque de petits trous noirs de masse stellaire avec une masse d'environ 10 fois notre soleil émettent un éclat de lumière, c'est souvent en réponse à un afflux de matériel d'une étoile compagne. Cette explosion de rayonnement déclenche une évolution spécifique de la région autour du trou noir. De la quiétude, un trou noir passe à une phase "douce" dominée par un disque d'accrétion alors que la matière stellaire est attirée dans le trou noir. Au fur et à mesure que la quantité d'afflux de matière diminue, il passe à nouveau à une phase "dure" où une couronne chauffée à blanc prend le relais. Le trou noir finit par s'installer dans une quiescence constante, et tout ce cycle d'accrétion peut durer de quelques semaines à quelques mois.

Les physiciens ont observé ce cycle d'accrétion caractéristique dans plusieurs trous noirs de masse stellaire pendant plusieurs décennies. Mais pour les trous noirs supermassifs, on pensait que ce processus prendrait trop de temps à capturer entièrement, comme ces goliaths sont normalement des brouteurs, se nourrissant lentement de gaz dans les régions centrales d'une galaxie.

"Ce processus se produit normalement sur des échelles de temps de milliers d'années dans les trous noirs supermassifs, ", dit Pasham. "Les humains ne peuvent pas attendre aussi longtemps pour capturer quelque chose comme ça."

Mais tout ce processus s'accélère lorsqu'un trou noir subit soudainement, énorme afflux de matériel, comme lors d'un événement de perturbation de la marée, quand une étoile s'approche suffisamment pour qu'un trou noir puisse la déchirer en lambeaux.

"En cas de perturbation de la marée, tout est brusque, " dit Pasham. " Vous avez soudainement un gros morceau de gaz qui vous est lancé, et le trou noir se réveille soudain, et c'est comme, 'ouah, il y a tellement de nourriture-laisse-moi juste manger, manger, manger jusqu'à ce qu'il n'y en ait plus. Donc, il expérimente tout dans un court laps de temps. Cela nous permet de sonder toutes ces différentes étapes d'accrétion que les gens ont connues dans les trous noirs de masse stellaire."

Un cycle supermassif

En septembre 2018, le All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASASSN) a capté les signaux d'une éruption soudaine. Les scientifiques ont ensuite déterminé que l'éruption était le résultat d'un événement de perturbation de la marée impliquant un trou noir supermassif, qu'ils ont nommé TDE AT2018fyk. Wevers, Pasham, et leurs collègues ont sauté sur l'alerte et ont pu diriger plusieurs télescopes, chacun formé pour cartographier différentes bandes du spectre ultraviolet et des rayons X, vers le système.

L'équipe a collecté des données sur deux ans, utilisant les télescopes spatiaux à rayons X XMM-Newton et l'observatoire Chandra X-Ray, ainsi que NICER, l'instrument de contrôle à rayons X à bord de la Station spatiale internationale, et l'Observatoire Swift, ainsi que des radiotélescopes en Australie.

"Nous avons attrapé le trou noir à l'état mou avec la formation d'un disque d'accrétion, et la plupart de l'émission dans l'ultraviolet, avec très peu aux rayons X, " dit Pasham. " Puis le disque s'effondre, la couronne devient plus forte, et maintenant c'est très brillant aux rayons X. Finalement, il n'y a pas beaucoup de gaz pour se nourrir, et la luminosité globale chute et revient à des niveaux indétectables."

Les chercheurs estiment que le trou noir a perturbé par marée une étoile de la taille de notre soleil. Dans le processus, il a généré un énorme disque d'accrétion, environ 12 milliards de kilomètres de large, et ont émis du gaz qu'ils estimaient à environ 40, 000 Kelvin, ou plus de 70, 000 degrés Fahrenheit. Au fur et à mesure que le disque devenait plus faible et moins brillant, une couronne de compact, les rayons X à haute énergie ont pris le relais comme phase dominante autour du trou noir avant de finir par disparaître.

"Les gens savent que ce cycle se produit dans les trous noirs de masse stellaire, qui ne sont que d'environ 10 masses solaires. Maintenant, nous voyons cela dans quelque chose de 5 millions de fois plus grand, " dit Pasham.

"La perspective la plus excitante pour l'avenir est que de tels événements de perturbation des marées ouvrent une fenêtre sur la formation de structures complexes très proches du trou noir supermassif, telles que le disque d'accrétion et la couronne, " dit l'auteur principal Thomas Wevers, membre de l'Observatoire européen austral. « Étudier comment ces structures se forment et interagissent dans l'environnement extrême suite à la destruction d'une étoile, nous pouvons, espérons-le, commencer à mieux comprendre les lois physiques fondamentales qui régissent leur existence. »

En plus de montrer que les trous noirs subissent l'accrétion de la même manière, quelle que soit leur taille, les résultats ne représentent que la deuxième fois que les scientifiques ont capturé la formation d'une couronne du début à la fin.

"Une couronne est une entité très mystérieuse, et dans le cas des trous noirs supermassifs, les gens ont étudié les couronnes établies mais ne savent pas quand ni comment elles se sont formées, ", dit Pasham. "Nous avons démontré que vous pouvez utiliser les événements de perturbation des marées pour capturer la formation de la couronne. Je suis ravi d'utiliser ces événements à l'avenir pour comprendre ce qu'est exactement la couronne."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.