V404 Cygni Rings (Crédit : rayons X : NASA/CXC/U.Wisc-Madison/S. Heinz et al. ; Optique/IR : Pan-STARRS)
Un spectaculaire ensemble d’anneaux autour d’un trou noir a été capturé à l’aide Nasa‘s Chandra X-ray Observatory et Neil Gehrels Swift Observatory. Les images aux rayons X des anneaux géants ont révélé de nouvelles informations sur la poussière située dans notre Galaxie, en utilisant un principe similaire aux rayons X effectués dans les cabinets médicaux et les aéroports.
Le trou noir fait partie d’un système binaire appelé V404 Cygni, situé à environ 7 800 années-lumière de la Terre. Le trou noir tire activement de la matière d’une étoile compagne – avec environ la moitié de la masse du Soleil – dans un disque autour de l’objet invisible. Ce matériau brille dans les rayons X, les astronomes appellent donc ces systèmes des « binaires à rayons X ».
Le 5 juin 2015, Swift a découvert une rafale de rayons X de V404 Cygni. Le sursaut a créé les anneaux de haute énergie à partir d’un phénomène connu sous le nom d’échos lumineux. Au lieu d’ondes sonores rebondissant sur une paroi de canyon, les échos lumineux autour de V404 Cygni ont été produits lorsqu’une rafale de rayons X du système de trou noir a rebondi sur des nuages de poussière entre V404 Cygni et la Terre. La poussière cosmique n’est pas comme la poussière domestique, mais plutôt comme de la fumée et se compose de minuscules particules solides.
Dans une nouvelle image composite, les rayons X de Chandra (bleu clair) ont été combinés avec des données optiques du télescope Pan-STARRS à Hawaï qui montrent les étoiles dans le champ de vision. L’image contient huit anneaux concentriques distincts. Chaque anneau est créé par les rayons X des éruptions V404 Cygni observées en 2015 qui se reflètent sur différents nuages de poussière. (Une illustration d’artiste, présentée ci-dessous, explique comment les anneaux vus par Chandra et Swift ont été produits. Pour simplifier le graphique, l’illustration ne montre que quatre anneaux au lieu de huit.)
L’illustration de cet artiste montre en détail comment la structure annelée vue par Chandra et Swift est produite. Chaque anneau est causé par des rayons X rebondissant sur différents nuages de poussière. Si le nuage est plus proche de nous, l’anneau semble être plus grand. Le résultat est un ensemble d’anneaux concentriques avec différentes tailles apparentes selon la distance du nuage intermédiaire de nous. Crédit : Univ. de Wisconsin-Madison/S.Heinz
L’équipe a analysé 50 observations Swift effectuées en 2015 entre le 30 juin et le 25 août. Chandra a observé le système les 11 et 25 juillet. C’était un événement si brillant que les opérateurs de Chandra ont délibérément placé V404 Cygni entre les détecteurs afin qu’un autre éclat lumineux n’endommagerait pas l’instrument.
Les anneaux renseignent les astronomes non seulement sur le comportement du trou noir, mais aussi sur le paysage entre V404 Cygni et la Terre. Par exemple, le diamètre des anneaux dans les rayons X révèle les distances aux nuages de poussière intermédiaires sur lesquels la lumière a ricoché. Si le nuage est plus proche de la Terre, l’anneau semble être plus grand et vice versa. Les échos lumineux apparaissent sous forme d’anneaux étroits plutôt que d’anneaux larges ou de halos parce que le sursaut de rayons X n’a duré qu’une période de temps relativement courte.
Les chercheurs ont également utilisé les anneaux pour sonder les propriétés des nuages de poussière eux-mêmes. Les auteurs ont comparé les spectres de rayons X – c’est-à-dire la luminosité des rayons X sur une gamme de longueurs d’onde – à des modèles informatiques de poussière avec différentes compositions. Différentes compositions de poussière entraîneront l’absorption de différentes quantités de rayons X de faible énergie et l’impossibilité de les détecter avec Chandra. Il s’agit d’un principe similaire à la façon dont différentes parties de notre corps ou de nos bagages absorbent différentes quantités de rayons X, donnant des informations sur leur structure et leur composition.
L’équipe a déterminé que la poussière contient très probablement des mélanges de grains de graphite et de silicate. De plus, en analysant les anneaux intérieurs avec Chandra, ils ont constaté que les densités des changements de nuages de poussière ne sont pas uniformes dans toutes les directions. Des études antérieures ont supposé que non.
Pour en savoir plus sur cette découverte, lisez Les astronomes repèrent des anneaux inhabituels et énormes autour d’un trou noir.
Ce résultat est lié à une découverte similaire du binaire à rayons X Circinus X-1, qui contient un étoile à neutrons plutôt qu’un trou noir, publié dans un article du 20 juin 2015, numéro de The Astrophysical Journal, intitulé «Le Seigneur des Anneaux : une distance cinématique au Circinus X-1 à partir d’un écho lumineux à rayons X géant” (préimpression). Cette étude a également été dirigée par Sebastian Heinz.
Les résultats de V404 Cygni ont été dirigés par le même astronome, Sebastian Heinz de l’Université du Wisconsin à Madison. Cet article a été publié dans le numéro du 1er juillet 2016 de The Astrophysical Journal (preprint). Les co-auteurs de l’étude sont Lia Corrales (Université du Michigan) ; Randall Smith (Centre d’astrophysique | Harvard & Smithsonian); Niel Brandt (Université d’État de Pennsylvanie); Peter Jonker (Institut néerlandais de recherche spatiale) ; Richard Plotkin (Université du Nevada, Reno) et Joey Neilson (Université Villanova).
Le Marshall Space Flight Center de la NASA gère le programme Chandra. Le Chandra X-ray Center du Smithsonian Astrophysical Observatory contrôle la science depuis Cambridge, Massachusetts, et les opérations aériennes depuis Burlington, Massachusetts.
