Quelque chose d’extraordinaire se produit environ tous les 10 000 à 100 000 ans dans des galaxies comme la Voie lactée. Une étoile imprudente s’approche du trou noir supermassif (SMBH) au centre de la galaxie et est déchirée par la gravité écrasante du SMBH. Les astronomes appellent le phénomène un événement de perturbation de marée (TDE.)
Habituellement, un TDE signifie la mort de l’étoile alors que son gaz est arraché dans l’anneau d’accrétion du trou noir, provoquant un éblouissement lumineux visible à des centaines de millions d’années-lumière. Mais les chercheurs ont trouvé un trou noir qui joue avec sa nourriture.
Il est difficile de comprendre les forces puissantes à l’œuvre lorsqu’un SMBH mange une étoile.
Notre propre Soleil est massif et incorpore 99,86 % de la masse du système solaire. Cela lui donne un énorme pouvoir gravitationnel. Sa portée s’étend de Mercure minuscule et rapide, son voisin le plus proche, jusqu’au nuage d’Oort, la maison hypothétique des comètes glacées à longue période jusqu’à 200 000 unités astronomiques, soit 3,2 années-lumière.
Mais les SMBH sont si massifs que le Soleil s’enregistre à peine en comparaison. La force gravitationnelle d’un SMBH est si puissante qu’elle semble maintenir toute sa galaxie ensemble.
Dans une nouvelle étude, une équipe d’astronomes a observé un SMBH dans une galaxie à des centaines de millions d’années-lumière alors qu’il dévorait une étoile. Le SMBH a une masse de trou noir déduite supérieure à 50 millions de masses solaires. Qu’un objet aussi massif puisse complètement détruire une étoile, chétive en comparaison, est axiomatique.
Mais ce TDE n’est pas comme la plupart des autres TDE. La lumière provenant de l’événement montre que l’étoile n’a pas été complètement détruite et que le trou noir en prend des piqûres répétées.
“… l’hypothèse a été que lorsque nous voyons les conséquences d’une rencontre rapprochée entre une étoile et un trou noir supermassif, le résultat sera fatal pour l’étoile”,
Thomas Wevers, ESO
Le document est “Live to Die Another Day: The Rebrightening of AT 2018fyk as a Repeating Partial Tidal Disruption Event.” Il est publié dans The Astrophysical Journal Letters. L’auteur principal est Thomas Wevers de l’Observatoire européen austral.
“Jusqu’à présent, l’hypothèse était que lorsque nous voyons les conséquences d’une rencontre rapprochée entre une étoile et un trou noir supermassif, le résultat sera fatal pour l’étoile, c’est-à-dire que l’étoile est complètement détruite”, a déclaré Wevers dans un communiqué de presse. «Mais contrairement à tous les autres TDE que nous connaissons, lorsque nous avons pointé à nouveau nos télescopes au même endroit plusieurs années plus tard, nous avons constaté qu’il s’était à nouveau illuminé. Cela nous a amenés à proposer qu’au lieu d’être fatale, une partie de l’étoile a survécu à la rencontre initiale et est retournée au même endroit pour être à nouveau dépouillée de matière, expliquant la phase de ré-éclaircissement.
Le TDE s’appelle AT 2018fyk (AT: Astrophysical Transient), et c’est un transitoire découvert pour la première fois en 2018 par le All-Sky Automated Survey for Supernovae. Différentes équipes de scientifiques observent l’événement depuis sa découverte, et cette nouvelle recherche s’inscrit dans la continuité de la tentative de le comprendre.
Lors d’un TDE, le gaz d’une étoile tombe vers un trou noir. Mais il ne tombe pas directement dans le trou. Il s’accumule sur le disque d’accrétion tourbillonnant autour du SMBH. Cela chauffe le gaz et émet une lumière brillante. Cet événement donne aux astronomes l’occasion d’étudier la région fascinante autour des trous noirs alors qu’ils sont brièvement éclairés.
Mais AT 2018fyk est différent. Habituellement, un TDE consiste en un saut de luminosité lorsque l’étoile est détruite. Mais pas celui-ci. Au lieu de cela, il semble que le SMBH enlève les couches externes les moins denses de l’étoile à chacune de ses approches les plus proches, laissant un noyau plus dense non affecté.
Ce TDE est le résultat de ce qu’on appelle un Capture de collines. C’est à ce moment qu’une étoile binaire s’approche d’un trou noir et que la gravité sépare la paire d’étoiles autrefois liées. Une étoile devient une étoile à hypervitesse et est éjectée des régions centrales de la galaxie à une vitesse d’environ 1000 km/seconde.
Mais il n’y a pas d’échappatoire pour l’autre star. Il entre en orbite autour du trou noir et son destin est prédit. Le trou noir finira par le détruire, même si cela ne se produit pas instantanément.
Le fait que l’étoile faisait autrefois partie d’une paire binaire explique comment elle continue de passer suffisamment près du trou noir pour être partiellement dépouillée sans être détruite. “En règle générale, les étoiles perturbées par les marées se trouvent sur des orbites approximativement paraboliques, ce qui soulève la question de savoir comment un TDE partiel pourrait produire un éclaircissement”, écrivent les auteurs dans leur article. Pour un SMBH de cette taille et une étoile de masse similaire au Soleil, l’orbite devrait durer environ 1 000 ans, bien plus longtemps que l’étoile à AT 2018fyk. “On peut lier plus étroitement l’étoile partiellement perturbée si l’étoile faisait initialement partie d’un système binaire qui a été détruit par la capture de Hills.”
Dans le cas d’AT 2018fyk, le trou noir ne peut pas tout à fait tout détruire d’un coup car même si l’étoile est étroitement liée au SMBH, elle ne traverse pas le rayon de marée. Le rayon de marée est l’endroit où la gravité du trou noir est plus forte que la gravité qui maintient l’étoile ensemble. Au lieu de cela, environ tous les 1200 jours, le trou noir a une autre chance alors que l’étoile se rapproche le plus. Il enlève à chaque fois une plus grande partie de l’enveloppe de l’étoile, formant le disque d’accrétion brillant autour du SMBH. La preuve est dans la lumière venant de la région. Nos télescopes à rayons X et ultraviolets/optiques peuvent observer la lumière même si elle se trouve à des centaines de millions d’années-lumière.
Lorsque les astronomes ont repéré AT 2018fyk pour la première fois, ils pensaient que c’était comme n’importe quel autre TDE. Mais des observations ultérieures ont montré à quel point le TDE est complexe. Il était brillant dans les émissions de rayons X pendant environ 600 jours, puis s’est assombri et est devenu indétectable. La baisse de luminosité a été rapide, alors que d’autres TDE montrent une baisse progressive. Le déclin brutal a eu lieu lorsque le noyau stellaire est revenu à son approche la plus proche.
“Lorsque le noyau retourne dans le trou noir, il vole essentiellement tout le gaz du trou noir par gravité, et par conséquent, il n’y a pas de matière à accréter, et donc le système devient noir”, a déclaré le co-auteur de l’étude, Dheeraj. Pasham, astrophysicien au MIT.
Mais ensuite, 600 jours après la chute des émissions de rayons X, la région était à nouveau lumineuse. Les chercheurs pensent que c’est à ce moment que la matière libérée par l’étoile recommence à s’accréter.
Il est difficile de déterminer combien de temps cela peut durer et combien de passages l’étoile peut faire. Les chercheurs estiment que jusqu’à 10 % de la masse de l’étoile est supprimée à chaque approche, mais cela pourrait aussi être aussi faible que 1 %. Le TDE se trouve à des centaines de millions d’années-lumière, il est donc difficile de comprendre et de modéliser la lumière. Mais si le chiffre de 10% est correct, l’étoile est déjà partie.
“Si la perte de masse n’est qu’au niveau de 1%, nous nous attendons à ce que l’étoile survive pendant de nombreuses autres rencontres, alors que si elle est plus proche de 10%, l’étoile a peut-être déjà été détruite”, a déclaré le co-auteur Eric Coughlin, Physicien à l’Université de Syracuse.
Maintenant que les astronomes ont repéré l’AT 2018fyk inhabituel et proposé une explication théorique, cela pourrait expliquer d’autres éruptions répétées au cœur d’autres galaxies. En fait, cette recherche pourrait inciter les chercheurs à revisiter d’autres trous noirs flamboyants pour une activité supplémentaire. Les TDE répétés seront-ils plus fréquents que prévu ? Ne peuvent-ils résulter que d’étoiles binaires et du mécanisme de Hills ?
“À l’avenir, il est probable que davantage de systèmes seront vérifiés pour les éruptions tardives, surtout maintenant que ce projet présente une image théorique de la capture de l’étoile par un processus d’échange dynamique et la perturbation partielle répétée des marées qui s’ensuit”, dit Coughlin. “Nous espérons que ce modèle pourra être utilisé pour déduire les propriétés des trous noirs supermassifs distants et acquérir une compréhension de leur” démographie “, c’est-à-dire le nombre de trous noirs dans une plage de masse donnée, ce qui est autrement difficile à atteindre directement.”
Une partie de ce que l’équipe a proposé pour expliquer le TDE est testable. Ce fait, combiné à davantage d’observations de phénomènes comme AT 2018fyk, pourrait nous en apprendre beaucoup sur les environnements extrêmes autour des trous noirs et la physique des TDE partiels.
“Cette étude décrit la méthodologie pour prédire potentiellement les prochains moments de collation des trous noirs supermassifs dans les galaxies externes”, explique Pasham. “Si vous y réfléchissez, il est assez remarquable que nous, sur Terre, puissions aligner nos télescopes sur des trous noirs à des millions d’années-lumière pour comprendre comment ils se nourrissent et se développent.”
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