Trou noir avec disque déformé. Crédit : John Paice
Une équipe internationale d’astrophysiciens d’Afrique du Sud, du Royaume-Uni, de France et des États-Unis a découvert de grandes variations dans la luminosité de la lumière observée depuis l’un des trous noirs les plus proches de notre Galaxie, à 9 600 années-lumière de la Terre, ce qui, selon eux, est causé par une énorme déformation dans son disque d’accrétion.
Cet objet, MAXI J1820+070, est entré en éruption en tant que nouveau transitoire de rayons X en mars 2018 et a été découvert par un télescope à rayons X japonais à bord de la Station spatiale internationale. Ces transitoires, systèmes qui présentent des explosions violentes, sont des étoiles binaires, constituées d’une étoile de faible masse, semblable à notre Soleil et d’un objet beaucoup plus compact, qui peut être un nain blanc, étoile à neutrons, ou trou noir. Dans ce cas, MAXI J1820+070 contient un trou noir d’au moins 8 fois la masse de notre Soleil.
Les premiers résultats ont maintenant été publiés dans la revue internationale hautement cotée, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society, dont l’auteur principal est le Dr Jessymol Thomas, chercheur postdoctoral à l’Observatoire astronomique sud-africain (SAAO).
La découverte présentée dans l’article a été faite à partir d’une courbe de lumière étendue et détaillée obtenue sur près d’un an par des amateurs dévoués du monde entier qui font partie de l’AAVSO (American Association of Variable Star Observers). MAXI J1820+070 est l’un des trois transitoires de rayons X les plus brillants jamais observés, conséquence à la fois de sa proximité avec la Terre et du fait qu’il se trouve en dehors du plan obscurcissant de notre voie Lactée Galaxie. Parce qu’il est resté lumineux pendant de nombreux mois, cela a permis d’être suivi par tant d’amateurs.
Le professeur Phil Charles, chercheur à l’Université de Southampton et membre de l’équipe de recherche, a expliqué que « la matière de l’étoile normale est attirée par l’objet compact dans son disque d’accrétion environnant de gaz en spirale. Des explosions massives se produisent lorsque le matériau du disque devient chaud et instable, s’accumule sur le trou noir et libère de grandes quantités d’énergie avant de traverser l’horizon des événements. Ce processus est chaotique et très variable, variant sur des échelles de temps allant de quelques millisecondes à plusieurs mois. »
L’équipe de recherche a produit une visualisation du système, montrant comment une énorme sortie de rayons X émane de très près du trou noir, puis irradie la matière environnante, en particulier le disque d’accrétion, le chauffant jusqu’à une température d’environ 10 000 K , qui est considérée comme la lumière visuelle émise. C’est pourquoi, à mesure que l’explosion de rayons X diminue, la lumière optique diminue également.
Mais quelque chose d’inattendu s’est produit près de 3 mois après le début de l’explosion lorsque la courbe de lumière optique a déclenché une énorme modulation – un peu comme tourner un gradateur de haut en bas et presque doubler la luminosité à son apogée – sur une période d’environ 17 heures. Pourtant, il n’y a eu aucun changement dans la sortie des rayons X, qui est restée stable. Alors que de petites modulations visibles quasi-périodiques avaient été observées dans le passé lors d’autres explosions transitoires de rayons X, rien à cette échelle n’avait jamais été vu auparavant.
Qu’est-ce qui causait ce comportement extraordinaire? “Avec l’angle de vue du système comme le montre l’image, nous pourrions assez rapidement écarter l’explication habituelle selon laquelle les rayons X éclairaient la face interne de l’étoile donneuse parce que l’éclaircissement se produisait au mauvais moment”, a déclaré le professeur Charles. Cela ne pourrait pas non plus être dû à la variation de la lumière à partir de laquelle le flux de transfert de masse frappe le disque lorsque la modulation se déplaçait progressivement par rapport à l’orbite.
Cela ne laissait qu’une seule explication possible, l’énorme flux de rayons X irradiait le disque et le faisait se déformer, comme le montre l’image. La déformation fournit une énorme augmentation de la zone du disque qui pourrait être éclairée, augmentant ainsi considérablement le rendement lumineux visuel lorsqu’il est visualisé au bon moment. Un tel comportement avait été observé dans des binaires à rayons X avec des donneurs plus massifs, mais jamais dans un transitoire de trou noir avec un donneur de faible masse comme celui-ci. Il ouvre une toute nouvelle voie pour l’étude de la structure et des propriétés des disques d’accrétion déformés.
Le professeur Charles a poursuivi : « Cet objet possède des propriétés remarquables parmi un groupe d’objets déjà intéressant qui ont beaucoup à nous apprendre sur les points limites de l’évolution stellaire et la formation d’objets compacts. Nous connaissons déjà quelques dizaines de systèmes binaires de trous noirs dans notre Galaxie, qui ont tous des masses comprises entre 5 et 15 masses solaires. Ils grandissent tous par l’accrétion de matière dont nous avons été témoins de manière si spectaculaire ici.
Débuté il y a environ 5 ans, un programme scientifique majeur sur le Grand télescope d’Afrique australe (SALT) pour étudier les objets transitoires a fait un certain nombre d’observations importantes de binaires compacts, y compris des systèmes de trous noirs comme MAXI J1820+070. En tant que chercheur principal de ce programme, le professeur Buckley, déclare « SALT est un outil parfait pour étudier le comportement changeant de ces binaires à rayons X pendant leurs explosions, qu’il peut surveiller régulièrement sur des périodes de quelques semaines à plusieurs mois et peut être coordonné avec observations d’autres télescopes, y compris ceux basés dans l’espace.
Référence : « Les grandes modulations optiques lors de l’explosion de 2018 du MAXI J1820+070 révèlent l’évolution du disque d’accrétion déformé par le changement d’état des rayons X » par Jessymol K Thomas, Philip A Charles, David AH Buckley, Marissa M Kotze, Jean-Pierre Lasota, Stephen B Potter, James F Steiner et John A Paice, 26 octobre 2021, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stab3033
