Cette illustration montre SS 433, un trou noir ou une étoile à neutrons, alors qu’elle éloigne de la matière de son étoile compagne. La matière stellaire forme un disque autour de SS 433, et une partie de la matière est éjectée dans l’espace sous la forme de deux jets minces (roses) voyageant dans des directions opposées à partir de SS 433. Crédit : DESY/Science Communication Lab
Connus sous le nom de sources de rayons X ultralumineuses, les émetteurs sont faciles à repérer lorsqu’ils sont vus de face, mais ils peuvent être cachés de la vue s’ils sont même légèrement éloignés de la Terre.
Il est difficile de rater un faisceau de lampe de poche pointé droit sur vous. Mais ce faisceau vu de côté semble nettement plus faible. Il en va de même pour certains objets cosmiques : comme une lampe de poche, ils rayonnent principalement dans une direction, et ils ont un aspect radicalement différent selon que le faisceau pointe loin de la Terre (et des télescopes spatiaux à proximité) ou directement vers elle.
De nouvelles données de NasaL’observatoire spatial NuSTAR indique que ce phénomène est vrai pour certains des émetteurs de rayons X les plus importants de l’univers local : les sources de rayons X ultralumineuses, ou ULX. La plupart des objets cosmiques, y compris les étoiles, émettent peu de rayons X, en particulier dans la plage de haute énergie vue par NuSTAR. Les ULX, en revanche, sont comme des phares à rayons X traversant l’obscurité. Pour être considérée comme un ULX, une source doit avoir une luminosité de rayons X environ un million de fois plus brillante que la puissance lumineuse totale du Soleil (à toutes les longueurs d’onde). Les ULX sont si brillants qu’ils peuvent être vus à des millions d’années-lumière, dans d’autres galaxies.
Cette animation illustre comment SS 433 – qui contient une source de lumière brillante entourée de deux structures en forme de bol – s’incline d’avant en arrière sur son orbite. Comme avec une lampe de poche, la lumière du SS 433 semble beaucoup plus faible lorsqu’elle est vue de côté. Crédit : NASA/JPL-Caltech
La nouvelle étude montre que l’objet connu sous le nom de SS 433, située dans le voie Lactée galaxie et seulement à environ 20 000 années-lumière de la Terre, est un ULX, même s’il semble être environ 1 000 fois plus faible que le seuil minimum pour être considéré comme tel.
Cette faiblesse est une astuce de perspective, selon l’étude : les rayons X à haute énergie de SS 433 sont initialement confinés dans deux cônes de gaz s’étendant vers l’extérieur depuis les côtés opposés de l’objet central. Ces cônes sont similaires à un bol en miroir qui entoure une ampoule de lampe de poche : ils encerclent la lumière des rayons X de SS 433 dans un faisceau étroit, jusqu’à ce qu’elle s’échappe et soit détectée par NuSTAR. Mais parce que les cônes ne pointent pas directement vers la Terre, NuSTAR ne peut pas voir toute la luminosité de l’objet.
“Nous soupçonnons depuis longtemps que certains ULX émettent de la lumière dans des colonnes étroites, plutôt que dans toutes les directions comme une ampoule nue”, a déclaré Matt Middleton, professeur d’astrophysique à l’Université de Southampton au Royaume-Uni et auteur principal de l’étude. « Dans notre étude, nous confirmons cette hypothèse en montrant que le SS 433 serait considéré comme un ULX par un observateur de face. »
Si un ULX relativement proche de la Terre peut cacher sa véritable luminosité en raison de son orientation, alors il y a probablement plus d’ULX – en particulier dans d’autres galaxies – déguisés de la même manière. Cela signifie que la population totale d’ULX devrait être bien plus importante que ce que les scientifiques observent actuellement.
cône de ténèbres
Environ 500 ULX ont été trouvés dans d’autres galaxies, et leur distance de la Terre signifie qu’il est souvent presque impossible de dire quel type d’objet génère l’émission de rayons X. Les rayons X proviennent probablement d’une grande quantité de gaz chauffé à des températures extrêmes car il est attiré par la gravité d’un objet très dense. Cet objet peut être soit un étoile à neutrons (les restes d’une étoile effondrée) ou un petit trou noir, celui qui n’est pas plus d’environ 30 fois la masse de notre Soleil. Le gaz forme un disque autour de l’objet, comme l’eau encerclant un drain. Le frottement dans le disque augmente la température, le faisant rayonner, devenant parfois si chaud que le système éclate de rayons X. Plus le matériau tombe rapidement sur l’objet central, plus les rayons X sont brillants.
Les astronomes soupçonnent que l’objet au cœur de SS 433 est un trou noir d’environ 10 fois la masse de notre Soleil. Ce qui est sûr, c’est qu’il cannibalise une grande étoile proche, sa gravité siphonnant de la matière à un rythme rapide : en une seule année, le SS 433 vole l’équivalent d’environ 30 fois la masse de la Terre à son voisin, ce qui en fait le plus gourmand trou noir ou étoile à neutrons connue dans notre galaxie.
L’objet cosmique SS 433 contient une source lumineuse de rayons X entourée de deux hémisphères de gaz chaud. SS 433 s’incline périodiquement, faisant pointer un faisceau de rayons X vers la Terre.
Crédit : NASA/JPL-Caltech
“On sait depuis longtemps que cette chose mange à un rythme phénoménal”, a déclaré Middleton. “C’est ce qui distingue les ULX des autres objets, et c’est probablement la cause première des quantités abondantes de rayons X que nous en voyons.”
L’objet dans SS 433 a des yeux plus gros que son ventre : il vole plus de matière qu’il ne peut en consommer. Une partie du matériau en excès est soufflée du disque et forme deux hémisphères sur les côtés opposés du disque. À l’intérieur de chacun se trouve un vide en forme de cône qui s’ouvre dans l’espace. Ce sont les cônes qui rassemblent la lumière des rayons X à haute énergie dans un faisceau. Quiconque regarde droit dans l’un des cônes verra un ULX évident. Bien que composés uniquement de gaz, les cônes sont si épais et massifs qu’ils agissent comme des panneaux de plomb dans une salle de dépistage aux rayons X et empêchent les rayons X de les traverser vers le côté.
Les scientifiques ont soupçonné que certains ULX pourraient être cachés pour cette raison. SS 433 a fourni une chance unique de tester cette idée car, comme une toupie, elle vacille sur son axe – un processus que les astronomes appellent la précession.
Illustration du vaisseau spatial NuSTAR, qui possède un mât de 10 mètres (30 pieds) qui sépare les modules optiques (à droite) des détecteurs dans le plan focal (à gauche). Cette séparation est nécessaire pour la méthode utilisée pour détecter les rayons X. Crédit : NASA/JPL-Caltech
La plupart du temps, les deux cônes de SS 433 pointent loin de la Terre. Mais à cause de la façon dont SS 433 précession, un cône s’incline périodiquement légèrement vers la Terre, de sorte que les scientifiques peuvent voir un peu de la lumière des rayons X sortir du sommet du cône. Dans la nouvelle étude, les scientifiques ont examiné comment les rayons X vus par NuSTAR changent à mesure que le SS 433 se déplace. Ils montrent que si le cône continuait à s’incliner vers la Terre afin que les scientifiques puissent le regarder directement, ils verraient suffisamment de rayons X pour appeler officiellement SS 433 un ULX.
Les trous noirs qui se nourrissent à des taux extrêmes ont façonné l’histoire de notre univers. Les trous noirs supermassifs, qui représentent des millions à des milliards de fois la masse du Soleil, peuvent profondément affecter leur galaxie hôte lorsqu’ils se nourrissent. Au début de l’histoire de l’univers, certains de ces trous noirs massifs se sont peut-être nourris aussi vite que SS 433, libérant d’énormes quantités de rayonnement qui ont remodelé les environnements locaux. Les écoulements (comme les cônes dans SS 433) ont redistribué la matière qui pourrait éventuellement former des étoiles et d’autres objets.
Mais parce que ces mastodontes à la consommation rapide résident dans des galaxies incroyablement éloignées (celle au cœur de la Voie lactée ne mange pas beaucoup actuellement), ils restent difficiles à étudier. Avec SS 433, les scientifiques ont trouvé un exemple miniature de ce processus, beaucoup plus proche de chez eux et beaucoup plus facile à étudier, et NuSTAR a fourni de nouvelles informations sur l’activité qui s’y déroule.
“Lorsque nous avons lancé NuSTAR, je ne pense pas que quiconque s’attendait à ce que les ULX soient un domaine de recherche aussi riche pour nous”, a déclaré Fiona Harrison, chercheuse principale de NuSTAR et professeur de physique à Caltech à Pasadena, en Californie. “Mais NuSTAR est unique en ce qu’il peut voir presque toute la gamme de longueurs d’onde de rayons X émises par ces objets, et cela nous donne un aperçu des processus extrêmes qui doivent les conduire.”
Référence : « NuSTAR révèle la nature cachée de SS433 » par MJ Middleton, DJ Walton, W Alston, T Dauser, S Eikenberry, YF Jiang, AC Fabian, F Fuerst, M Brightman, H Marshall, M Parker, C Pinto, FA Harrison , M Bachetti, D Altamirano, AJ Bird, G Perez, J Miller-Jones, P Charles, S Boggs, F Christensen, W Craig, K Forster, B Grefenstette, C Hailey, K Madsen, D Stern et W Zhang, 6 mai 2021, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stab1280
En savoir plus sur la mission
NuSTAR est une mission Small Explorer dirigée par Caltech et gérée par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, une division de Caltech, pour la Direction des missions scientifiques de l’agence à Washington. NuSTAR a été développé en partenariat avec l’Université technique danoise et l’Agence spatiale italienne (ASI). Le vaisseau spatial a été construit par Orbital Sciences Corporation à Dulles, en Virginie (qui fait maintenant partie de Northrop Grumman). Le centre des opérations de mission de NuSTAR se trouve au Université de Californie, Berkeley, et les archives de données officielles se trouvent au Centre de recherche des archives scientifiques d’astrophysique à haute énergie de la NASA. ASI fournit la station au sol de la mission et une archive miroir.
