Les astronomes du MIT, de la NASA et d'ailleurs ont une nouvelle façon de mesurer la vitesse de rotation d'un trou noir, en utilisant les conséquences bancales de son festin stellaire.
La méthode tire parti d’un événement de perturbation des marées d’un trou noir – un moment extrêmement lumineux où un trou noir exerce des marées sur une étoile qui passe et la déchire en lambeaux. Alors que l'étoile est perturbée par les immenses forces de marée du trou noir, la moitié de l'étoile est emportée par le vent, tandis que l'autre moitié est projetée autour du trou noir, générant un disque d'accrétion intensément chaud de matériau stellaire en rotation.
L'équipe dirigée par le MIT a montré que l'oscillation du disque d'accrétion nouvellement créé est essentielle pour déterminer la rotation inhérente du trou noir central.
Dans une étude parue dans Nature , les astronomes rapportent qu'ils ont mesuré la rotation d'un trou noir supermassif proche en suivant le motif d'éclairs de rayons X que le trou noir a produit immédiatement après un événement de perturbation de marée.
L'équipe a suivi les éclairs pendant plusieurs mois et a déterminé qu'il s'agissait probablement du signal d'un disque d'accrétion brûlant qui oscillait d'avant en arrière lorsqu'il était poussé et tiré par la propre rotation du trou noir.
En suivant l'évolution de l'oscillation du disque au fil du temps, les scientifiques ont pu déterminer dans quelle mesure le disque était affecté par la rotation du trou noir et, par conséquent, à quelle vitesse le trou noir lui-même tournait. Leur analyse a montré que le trou noir tournait à moins de 25 % de la vitesse de la lumière, ce qui est relativement lent, comme le font les trous noirs.
L'auteur principal de l'étude, Dheeraj "DJ" Pasham, chercheur au MIT, affirme que la nouvelle méthode pourrait être utilisée pour évaluer les spins de centaines de trous noirs dans l'univers local dans les années à venir. Si les scientifiques parviennent à étudier les spins de nombreux trous noirs proches, ils pourront commencer à comprendre comment les géants gravitationnels ont évolué au cours de l'histoire de l'univers.
"En étudiant plusieurs systèmes dans les années à venir avec cette méthode, les astronomes peuvent estimer la distribution globale des spins des trous noirs et comprendre la question de longue date de leur évolution au fil du temps", explique Pasham, membre de l'Institut Kavli d'astrophysique et d'astrophysique du MIT. Recherche spatiale.
Les co-auteurs de l'étude comprennent des collaborateurs d'un certain nombre d'institutions, dont la NASA, l'Université Masaryk en République tchèque, l'Université de Leeds, l'Université de Syracuse, l'Université de Tel Aviv, l'Académie polonaise des sciences et ailleurs.
Chaque trou noir a une rotation inhérente qui a été façonnée par ses rencontres cosmiques au fil du temps. Si, par exemple, un trou noir s’est développé principalement par accrétion – de brefs cas où de la matière tombe sur le disque, cela fait tourner le trou noir à des vitesses assez élevées. En revanche, si un trou noir se développe principalement en fusionnant avec d'autres trous noirs, chaque fusion pourrait ralentir les choses à mesure que la rotation d'un trou noir se heurte à celle de l'autre.
Lorsqu’un trou noir tourne, il entraîne avec lui l’espace-temps environnant. Cet effet de traînée est un exemple de précession de Lense-Thirring, une théorie de longue date qui décrit la manière dont des champs gravitationnels extrêmement puissants, tels que ceux générés par un trou noir, peuvent exercer une influence sur l'espace et le temps environnants. Normalement, cet effet ne serait pas évident autour des trous noirs, car les objets massifs n'émettent aucune lumière.
Mais ces dernières années, les physiciens ont proposé que, dans des cas tels que lors d'un événement de perturbation des marées, ou TDE, les scientifiques pourraient avoir la possibilité de suivre la lumière des débris stellaires lorsqu'ils sont entraînés. Ensuite, ils pourraient espérer mesurer la rotation du trou noir.
En particulier, lors d'un TDE, les scientifiques prédisent qu'une étoile peut tomber sur un trou noir depuis n'importe quelle direction, générant un disque de matériau déchiqueté et chauffé à blanc qui pourrait être incliné ou mal aligné par rapport à la rotation du trou noir. (Imaginez le disque d'accrétion comme un beignet incliné qui tourne autour d'un trou de beignet qui a sa propre rotation séparée.)
Lorsque le disque rencontre la rotation du trou noir, il vacille tandis que le trou noir l’aligne. Finalement, les oscillations s'atténuent à mesure que le disque s'installe dans la rotation du trou noir. Les scientifiques ont prédit que le disque vacillant d'un TDE devrait donc être une signature mesurable de la rotation du trou noir.
"Mais la clé était d'avoir les bonnes observations", explique Pasham. "La seule façon d'y parvenir est que, dès qu'un événement de perturbation de marée se produit, vous ayez besoin d'un télescope pour observer cet objet en continu, pendant très longtemps, afin de pouvoir sonder toutes sortes d'échelles de temps, depuis quelques minutes. à des mois."
Au cours des cinq dernières années, Pasham a recherché des événements de perturbation des marées suffisamment brillants et suffisamment proches pour suivre et détecter rapidement les signes de précession de Lense-Thirring. En février 2020, lui et ses collègues ont eu de la chance avec la détection d'AT2020ocn, un flash lumineux émanant d'une galaxie située à environ un milliard d'années-lumière, initialement repéré dans la bande optique par le Zwicky Transient Facility.
D'après les données optiques, le flash semble être le premier instant suivant un TDE. Étant à la fois brillant et relativement proche, Pasham soupçonnait que le TDE pourrait être le candidat idéal pour rechercher des signes d'oscillation du disque et éventuellement mesurer la rotation du trou noir au centre de la galaxie hôte. Mais pour cela, il lui faudrait beaucoup plus de données.
"Nous avions besoin de données rapides et à cadence élevée", explique Pasham. "La clé était de détecter cela dès le début, car cette précession, ou oscillation, ne devrait être présente qu'au début. Plus tard, le disque ne vacillerait plus."
L'équipe a découvert que le télescope NICER de la NASA était capable de capter le TDE et de le surveiller en permanence pendant des mois. NICER, abréviation de Neutron star Interior Composition ExploreR, est un télescope à rayons X situé sur la Station spatiale internationale qui mesure le rayonnement X autour des trous noirs et d'autres objets gravitationnels extrêmes.
Pasham et ses collègues ont examiné les observations d'AT2020ocn faites par NICER plus de 200 jours après la détection initiale de l'événement de perturbation des marées. Ils ont découvert que l'événement émettait des rayons X qui semblaient atteindre un pic tous les 15 jours, pendant plusieurs cycles, avant de finalement s'éteindre.
Ils ont interprété les pics comme des moments où le disque d'accrétion du TDE vacillait de face, émettant des rayons X directement vers le télescope de NICER, avant de vaciller alors qu'il continuait à émettre des rayons X (un peu comme si on agitait une lampe de poche vers et loin de quelqu'un tous les 15 jours). ).
Les chercheurs ont pris ce modèle d’oscillation et l’ont intégré à la théorie originale de la précession de Lense-Thirring. En se basant sur les estimations de la masse du trou noir et de celle de l'étoile perturbée, ils ont pu arriver à une estimation de la rotation du trou noir, soit moins de 25 % de la vitesse de la lumière.
Leurs résultats marquent la première fois que les scientifiques utilisent les observations d’un disque vacillant à la suite d’un événement de perturbation de marée pour estimer la rotation d’un trou noir. Alors que de nouveaux télescopes tels que l'Observatoire Rubin seront mis en service dans les années à venir, Pasham prévoit davantage d'opportunités pour déterminer la rotation des trous noirs.
"La rotation d'un trou noir supermassif vous raconte l'histoire de ce trou noir", explique Pasham. "Même si une petite fraction de ceux capturés par Rubin ont ce type de signal, nous disposons désormais d'un moyen de mesurer les spins de centaines de TDE. Nous pourrions alors faire une déclaration importante sur la façon dont les trous noirs évoluent au cours de l'âge de l'univers. "
