Cette illustration montre un flux lumineux de matière provenant d'une étoile, déchiré en lambeaux alors qu'il était dévoré par un trou noir supermassif. Le trou noir d'alimentation est entouré d'un anneau de poussière, un peu comme l'assiette d'un bambin est entourée de miettes après un repas. Crédit :NASA/JPL-Caltech
Alors que les trous noirs et les tout-petits ne semblent pas avoir grand-chose en commun, ils sont remarquablement similaires sous un aspect :les deux sont des mangeurs salissants, générant de nombreuses preuves qu'un repas a eu lieu.
Mais alors que l'on peut laisser des crottes de pâtes ou des éclaboussures de yaourt, l'autre crée une séquelle de proportions époustouflantes. Quand un trou noir engloutit une étoile, il produit ce que les astronomes appellent un "événement de perturbation de marée". Le déchiquetage de la malheureuse étoile s'accompagne d'une explosion de radiations qui peuvent éclipser la lumière combinée de chaque étoile de la galaxie hôte du trou noir pendant des mois, même des années.
Dans un article publié en Le Journal d'Astrophysique , une équipe d'astronomes dirigée par Sixiang Wen, un associé de recherche postdoctoral à l'observatoire Steward de l'Université d'Arizona, utiliser les rayons X émis par un événement de perturbation de marée connu sous le nom de J2150 pour effectuer les premières mesures de la masse et de la rotation du trou noir. Ce trou noir est d'un type particulier - un trou noir de masse intermédiaire - qui a longtemps échappé à l'observation.
"Le fait que nous ayons pu attraper ce trou noir alors qu'il dévorait une étoile offre une opportunité remarquable d'observer ce qui autrement serait invisible, " a déclaré Ann Zabludoff, Professeur d'astronomie de l'Arizona et co-auteur de l'article. "Non seulement que, en analysant le flare nous avons pu mieux comprendre cette catégorie insaisissable de trous noirs, ce qui pourrait bien expliquer la majorité des trous noirs au centre des galaxies."
En ré-analysant les données radiographiques utilisées pour observer l'éruption J2150, et en le comparant à des modèles théoriques sophistiqués, les auteurs ont montré que cette éruption provenait bien d'une rencontre entre une étoile malchanceuse et un trou noir de masse intermédiaire. Le trou noir intermédiaire en question est de masse particulièrement faible - pour un trou noir, c'est-à-peser à environ 10, 000 fois la masse du soleil.
"Les émissions de rayons X du disque interne formé par les débris de l'étoile morte nous ont permis d'inférer la masse et le spin de ce trou noir et de le classer comme un trou noir intermédiaire, " dit Wen.
Des dizaines d'événements de perturbation de marée ont été observés dans les centres de grandes galaxies hébergeant des trous noirs supermassifs, et une poignée ont également été observées dans les centres de petites galaxies qui pourraient contenir des trous noirs intermédiaires. Cependant, les données passées n'ont jamais été suffisamment détaillées pour prouver qu'une éruption de perturbation de marée individuelle était alimentée par un trou noir intermédiaire.
"Grâce aux observations astronomiques modernes, nous savons que les centres de presque toutes les galaxies de taille similaire ou plus grande que notre Voie lactée hébergent des trous noirs supermassifs centraux, " a déclaré le co-auteur de l'étude Nicholas Stone, maître de conférences à l'Université hébraïque de Jérusalem. "Ces mastodontes ont une taille allant de 1 million à 10 milliards de fois la masse de notre soleil, et ils deviennent de puissantes sources de rayonnement électromagnétique lorsque trop de gaz interstellaire tombe dans leur voisinage."
La masse de ces trous noirs est étroitement liée à la masse totale de leurs galaxies hôtes; les plus grandes galaxies hébergent les plus grands trous noirs supermassifs.
"Nous savons encore très peu de choses sur l'existence de trous noirs au centre de galaxies plus petites que la Voie lactée, " a déclaré le co-auteur Peter Jonker de l'Université Radboud et du SRON Netherlands Institute for Space Research, tous les deux aux Pays-Bas. "En raison des limites de l'observation, il est difficile de découvrir des trous noirs centraux beaucoup plus petits qu'un million de masses solaires."
Quand une étoile s'aventure trop près d'un trou noir, les forces gravitationnelles créent des marées intenses qui brisent l'étoile en un flux de gaz, entraînant un phénomène cataclysmique connu sous le nom d'événement de perturbation de marée. D'énormes quantités d'énergie sont libérées, provoquant une perturbation des marées pour éclipser sa galaxie dans certains cas. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA/Chris Smith (USRA/GESTAR)
Malgré leur abondance présumée, les origines des trous noirs supermassifs restent inconnues, et de nombreuses théories différentes rivalisent actuellement pour les expliquer, selon Jonker. Les trous noirs de masse intermédiaire pourraient être les graines à partir desquelles les trous noirs supermassifs se développent.
"Par conséquent, si nous obtenons une meilleure idée du nombre de trous noirs intermédiaires de bonne foi, cela peut aider à déterminer quelles théories de la formation de trous noirs supermassifs sont correctes, " il a dit.
Encore plus excitant, selon Zabludoff, est la mesure du spin de J2150 que le groupe a pu obtenir. La mesure du spin contient des indices sur la croissance des trous noirs, et éventuellement à la physique des particules.
Ce trou noir a une rotation rapide, mais pas la rotation la plus rapide possible, Zabludoff a expliqué, posant la question de savoir comment le trou noir finit par tourner dans cette plage.
"Il est possible que le trou noir se soit formé de cette façon et n'ait pas beaucoup changé depuis, ou que deux trous noirs de masse intermédiaire ont fusionné récemment pour former celui-ci, ", a-t-elle déclaré. "Nous savons que la rotation que nous avons mesurée exclut les scénarios dans lesquels le trou noir se développe sur une longue période à cause de la consommation constante de gaz ou de nombreuses collations rapides au gaz qui arrivent de directions aléatoires."
En outre, la mesure du spin permet aux astrophysiciens de tester des hypothèses sur la nature de la matière noire, qui est censé constituer la majeure partie de la matière dans l'univers. La matière noire peut être constituée de particules élémentaires inconnues qui n'ont pas encore été vues dans les expériences de laboratoire. Parmi les candidats figurent des particules hypothétiques connues sous le nom de bosons ultralégers, Pierre a expliqué.
"Si ces particules existent et ont des masses dans une certaine plage, ils empêcheront un trou noir de masse intermédiaire d'avoir une rotation rapide, " dit-il. " Pourtant, le trou noir de J2150 tourne rapidement. Donc, notre mesure de spin exclut une large classe de théories des bosons ultralégers, montrant la valeur des trous noirs en tant que laboratoires extraterrestres pour la physique des particules. »
À l'avenir, de nouvelles observations d'éruptions de perturbation des marées pourraient permettre aux astronomes de combler les lacunes dans la distribution de masse des trous noirs, espèrent les auteurs.
"S'il s'avère que la plupart des galaxies naines contiennent des trous noirs de masse intermédiaire, alors ils domineront le taux de perturbation des marées stellaires, " dit Stone. " En adaptant l'émission de rayons X de ces éruptions aux modèles théoriques, nous pouvons effectuer un recensement de la population de trous noirs de masse intermédiaire dans l'univers, " ajouta Wen.
Pour faire ça, cependant, plus d'événements de perturbation de marée doivent être observés. C'est pourquoi les astronomes fondent de grands espoirs sur la mise en ligne prochaine de nouveaux télescopes, sur Terre et dans l'espace, dont l'observatoire Vera C. Rubin, également connu sous le nom de Legacy Survey of Space and Time, ou LSST, qui devrait découvrir des milliers d'événements de perturbation des marées par an.
