Les trous noirs et les étoiles à neutrons font partie des habitants les plus étranges du zoo cosmique. Ce sont tous deux des collections denses de matière et, à l’exception des trous noirs supermassifs, ce sont les états finaux des étoiles massives. Fondamentalement, ce sont deux types d’objets différents qui sont détectables via l’activité des disques d’accrétion qui se forment autour d’eux. Des astronomes ont récemment observé un objet qui agissait comme un trou noir mais qui s’est avéré être une étoile à neutrons. Les indices se trouvaient dans le disque d’accrétion qui l’entourait.
D’où viennent les disques d’accrétion ? Et, pourquoi s’illuminent-ils avec des fusées éclairantes et des explosions ? Dans le cas des systèmes binaires, ce matériau provient d’étoiles compagnes qui les nourrissent autant (ou plus) qu’ils ne peuvent manger. Les disques d’accrétion réagissent de diverses manières, formant souvent des points chauds et projetant des jets de rayonnement. Pourtant, à bien des égards, la compréhension de certaines des activités du disque a dû attendre des études approfondies à plusieurs longueurs d’onde de leurs explosions.
Surveillance des comportements étranges dans un disque d’accrétion
Lorsque les astronomes ont vu pour la première fois un objet étrangement brillant appelé J1858.6-0814, ils ont d’abord supposé qu’il s’agissait d’un trou noir avec une étoile compagne. Il a émis une série d’éruptions qui s’étendaient sur tout le spectre électromagnétique, de la radio aux rayons X. Après de nombreuses observations et réflexions, les membres de l’équipe ont réalisé que cette chose était une étoile à neutrons avec une surface solide. Il y a autour de lui un disque d’accrétion créé par une étoile compagne. Les éruptions lumineuses proviennent de l’instabilité de ce disque d’accrétion et des éjections à grande vitesse de matière loin des objets.
Selon le chercheur de l’IAC Federico Vincentelli, le scientifique principal étudiant cet objet, les instabilités affectent le comportement du disque d’accrétion autour de l’étoile à neutrons. “La matière du disque est lancée dans un écoulement ou un jet”, a-t-il déclaré. “Certains peuvent encore tomber sur le trou noir ou l’étoile à neutrons. Cependant, la fraction exacte de matière qui va dans les deux sens est encore inconnue. Ce processus dramatique reste mal compris et, jusqu’à présent, n’a été observé en détail que dans un système où l’objet compact est un trou noir.
Comprendre le binaire aux rayons X J1858.6-0814
Les binaires de rayons X sont essentiellement des paires d’objets – généralement un trou noir ou une étoile à neutrons, plus une étoile compagne – qui sont brillants en rayons X. J1858.6-0814 appartient à une classe spéciale appelée binaire à rayons X de faible masse. Les étoiles de ces paires ont des masses inférieures à environ 1,5 masse solaire. L’étoile à neutrons a une masse comprise entre 10 et 25 masses solaires. Il y a beaucoup d’interactivité entre les membres puisque la star partage son matériel avec son compagnon. Lorsque cela se produit sur une étoile à neutrons, le matériau ne tombe pas directement sur la surface. Il tourne en spirale dans le disque d’accrétion. Ce faisant, il subit un échauffement par friction, perd son énergie potentielle et contribue finalement à ces instabilités décrites par Vincentelli.
Après sa découverte en 2018, les astronomes ont remarqué que J1858.6-0814 montrait une grande activité de torchage sur l’ensemble du spectre électromagnétique. Il s’est calmé en 2020, mais pas avant d’émettre des sursauts de rayons X de type 1 et de présenter ce qu’on appelle une éclipse de rayons X. Essentiellement, le système subit des éclipses lorsqu’un membre de la paire binaire éclipse l’autre. Pour ce système, cela implique un angle de vision presque latéral depuis notre point de vue sur Terre. Les astronomes ont également déterminé que cette paire se trouve sur une orbite d’environ 21,3 heures.
Au début, les astronomes n’étaient pas certains de l’origine du « feu d’artifice cosmique » de cette paire binaire. Ils étaient si brillants que tout le monde supposait que l’objet compact devait être un trou noir, car il serait assez puissant pour déclencher des éruptions si intensément brillantes. Cependant, en 2020, des observateurs ont découvert des explosions thermonucléaires qui n’auraient pu se produire que si le matériau tombait à la surface d’une étoile à neutrons. Cette découverte a stimulé l’appel à de nouvelles observations.
Alors, que se passe-t-il sur cette étoile à neutrons ?
Bien que les astronomes aient observé J1858.6-0814 de manière intensive au cours des années depuis sa découverte, Vincentelli et une équipe d’astronomes ont mis sur pied une nouvelle campagne d’observation visant à suivre les spécificités des explosions. Ils ont utilisé le spectrographe Cosmic Origins sur le télescope spatial Hubble, une caméra grand champ à lecture rapide appelée RISE sur le télescope Liverpool à La Palma, en Espagne, un instrument proche infrarouge appelé HAWK sur le Very Large Telescope au Chili, et des observations radio avec le Karl G. Jansky Very Large Array au Nouveau-Mexique. À partir de ces observations, ils ont comparé les explosions avec un autre objet de type similaire appelé GRS 1915+105. Il s’agit en fait d’un trou noir dans une paire binaire que les astronomes utilisent pour des études comparatives. Ce qu’ils ont trouvé est un comportement exotique dans le disque d’accrétion très semblable à celui autour de l’étoile à neutrons dans J1858.6-0814.
Le trou noir et l’étoile à neutrons font l’expérience d’activités de disque similaires
Essentiellement, ces systèmes disent aux astronomes que des processus presque identiques se produisent aux deux. « Nous avons réalisé que nous pouvions expliquer la phénoménologie complexe des deux objets avec trois ingrédients : un disque d’accrétion instable, qui produit une émission de rayons X extrêmement variable lorsque les parties internes du disque se vident et se remplissent cycliquement ; des éjections répétées de matière (produites après la vidange du disque), visibles en ondes radio et infrarouges ; et des échos brillants de ces variations internes dans les zones les plus externes du disque, qui peuvent être observées de l’infrarouge à l’ultraviolet », a déclaré Vincentelli.
Il s’avère que les instabilités dans les disques d’accrétion se produisent lorsque le matériau sort de la partie interne du disque. Ensuite, de nouveaux matériaux arrivent à grande vitesse. Il pourrait bien s’agir d’un processus très fondamental dans la physique étrange qui se produit près des étoiles à neutrons et des trous noirs. Cette découverte offre désormais aux astronomes de nouvelles facettes des disques d’accrétion autour des étoiles à neutrons et des trous noirs, et comment leurs instabilités se produisent. “Nous prévoyons maintenant d’étendre ce type d’étude à d’autres systèmes très lumineux pour éclairer les trous noirs et les étoiles à neutrons lorsqu’ils incorporent de la matière à des vitesses extrêmes”, a déclaré Vincentelli.
Pour plus d’informations
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Une instabilité d’accrétion partagée pour les trous noirs et les étoiles à neutrons
pré-impression arXiv
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Binaires à rayons X de faible masse
