En combinant les observations effectuées avec le VLT de l’ESO et le télescope à rayons X Chandra de la NASA, des astronomes ont découvert la paire de jets la plus puissante jamais observée, émise par un trou noir stellaire. Cet objet, également connu comme un microquasar, propulse une gigantesque bulle de gaz de 1000 années lumière de diamètre, deux fois plus grande et dix fois plus puissante que celles des autres microquasars connus. Cette découverte est présentée cette semaine dans la revue Nature.
« Nous avons été surpris par la quantité d’énergie injectée dans le gaz par le trou noir », déclare Manfred Pakull, le premier auteur de l’article scientifique. « Ce trou noir ne fait que quelques masses solaires mais c’est une véritable version miniature des quasars les plus puissants et des radiogalaxies qui contiennent des trous noirs ayant une masse de quelques millions de masses solaires. »
Les trous noirs sont connus pour éjecter une quantité prodigieuse d’énergie quand ils absorbent de la matière. On supposait que la majorité de l’énergie sortait sous forme de radiations et principalement en rayons X. Toutefois, cette nouvelle découverte montre que certains trous noirs peuvent émettre au moins autant d’énergie et peut être plus encore sous forme de jets directifs de particules à grande vitesse. Ces jets rapides entrent en collision avec le gaz interstellaire environnant, l’échauffant et déclenchant l’expansion de la bulle. Cette bulle gonflée contient un mélange de gaz chaud et de particules à très grande vitesse à différentes températures. Des observations dans différents domaines du spectre (visible, radio, rayons X) aident les astronomes à calculer à quel rythme le trou noir chauffe son environnement.
Les astronomes ont pu observer l’endroit où les jets percutent le gaz interstellaire situé autour du trou noir et découvrir que la bulle de gaz chaud s’enfle à une vitesse voisine du million de kilomètres par heure.
« La longueur des jets dans NGC 7793 est surprenante comparée à la taille du trou noir qui les émet, » précise Robert Soria , un des coauteurs de l’article scientifique. « Si le trou noir était rapporté à l’échelle d’un terrain de foot, chaque jet s’étendrait de la Terre jusqu’au-delà de l’orbite de Pluton. »
Cette recherche va aider les astronomes à comprendre les similitudes entre les petits trous noirs nés de l’explosion des étoiles et les trous noirs super massifs situés au centre des galaxies. Des jets très puissants émis par des trous noirs super massifs ont été observés, mais l’on pensait qu’ils étaient moins fréquents dans la catégorie des plus petits microquasars. Cette nouvelle découverte suggère qu’un bon nombre d’entre eux n’a tout simplement pas été détecté jusqu’à présent.
Ce trou noir soufflant sa bulle de gaz se situe à 12 millions d’années lumière de la Terre, à la périphérie de la galaxie spirale NGC 7793. A partir de la taille et de la vitesse d’expansion de la bulle, les astronomes ont découvert que l’activité des jets dure depuis au moins 200 000 ans.
Des simulations numériques effectuées par deux chercheurs de l’Observatoire de Paris montrent qu’une étoile plongeant profondément dans le rayon de marée d’un trou noir massif est aplatie deux fois avant d’être déchiquetée par une explosion thermonucléaire. De puissantes ondes de choc engendrées en son centre atteignent sa surface et la chauffent de façon répétée à un milliard de degrés ou davantage. Les échelles de temps et d’énergie caractéristiques d’un tel processus sont comparables à celles observées dans certains sursauts gamma.
On sait depuis longtemps [Carter & Luminet, 1982, Nature 296, 211] que des étoiles passant suffisamment près de la surface de trous noirs massifs subissent des forces de marée si gigantesques qu’elles sont aplaties sous forme de « crêpes » avant d’être détruites. Les compressions les plus fortes déclenchent une explosion thermonucléaire dans le coeur d’étoiles frôlant des trous noirs géants tapis au centre des galaxies.
Dans un article juste publié dans Astronomy & Astrophysics, Matthieu Brassart et Jean-Pierre Luminet, de l’Observatoire de Paris-Meudon, ont simulé numériquement le sort d’une étoile de type solaire qui pénètre profondément dans le rayon de marée d’un trou noir de 106 masses solaires (une situation typique dans un centre galactique, tel celui de notre propre Voie Lactée). Ils ont perfectionné leur précédentes simulations hydrodynamiques [voir la Nouvelle de mai 2008] en prenant cette fois en compte toutes les propriétés relativistes de l’espace-temps autour du trou noir. De fait, l’orbite stellaire et le champ de marée connaissent d’importantes modifications dès lors que l’étoile frôle le rayon gravitationnel du trou noir. En raison de la précession relativiste, une orbite parabolique doit s’entrecouper et, lorsque le point de croisement est situé à l’intérieur du rayon de marée, l’étoile est soumise à plusieurs aplatissements successifs.
Une telle rencontre étoile / trou noir est illustrée sur la figure 1, avec un facteur de pénétration suffisamment grand pour que l’étoile approche tout près de la surface du trou noir et en subisse les effets relativistes. L’orbite stellaire s’enroule autour du trou noir à l’intérieur du rayon de marée, ce qui permet au champ gravitationnel d’écraser l’étoile en forme de crêpe deux fois de suite, avant et après son passage au périastre.
Outre la formation de crêpes stellaires chaudes condamnées à une explosion thermonucléaire, les compressions dues aux marées gravitationnelles engendrent une série compliquée d’ondes de choc sortantes et entrantes qui entrent en collision, interagissent et finissent par se propager jusqu’à la surface de l’étoile.
Figure 1: A gauche: Orbite parabolique d’une étoile plongeant profondément dans le rayon de marée d’un trou noir de 1 million de masses solaires. Le petit cercle solide représente le rayon gravitationnel du trou noir, et le grand cercle en pointillés le rayon de marée. Le facteur de pénétration, c’est-à-dire le rapport entre le rayon de marée et la distance au périastre, est de 9. Comme l’orbite stellaire s’entrecoupe à l’intérieur du rayon de marée, le champ gravitationnel du trou noir induit deux compressions successives, qui se produisent aux points de l’orbite marqués en noir.
A droite: Evolution temporelle de la pression centrale (en unités de sa valeur initiale). Celle-ci contrecarre deux fois l’effondrement en chute libre de la matière stellaire, une fois avant le passage au périastre (à t=0), puis une centaine de secondes plus tard.
Des sursauts d’énergie engendrés par « marées noires »
Les ondes de choc successives chauffent trois fois la surface stellaire (fig.2), portant à chaque fois la température à un milliard de degrés ou davantage, soit dans le régime des rayons X durs et gamma. Ainsi, l’émission brutale de sursauts de haute énergie engendrés par des « marées noires » est intensifiée par les effets relativistes et les compressions multiples qui en découlent.
Par ailleurs, les astronomes ont observé que les courbes de lumière de certains sursauts gamma exhibent des structures complexes à deux pics ou davantage. On est tenté de les interpréter en termes de crêpes stellaires flambées deux fois. En effet, l’échelle de temps typique d’une rencontre étoile / trou noir selon une orbite relativiste fortement enroulée correspond à celle d’un sursaut gamma court présentant deux pics d’émission séparés par une centaine de secondes, tel celui qui a été observé dans GRB 970815.
Figure 2: Evolution temporelle de la température (l’étoile passe au périastre à t=0). La courbe en traits pleins retrace la température au centre de l’étoile. La compression induit un premier maximum à ~ 2 108 K durant ~ 4 s, et environ 115 s plus tard, une seconde compression de même amplitude durant ~ 6 s.
La courbe en pointillés donne la température transportée par les ondes de choc. Les trois maxima sont atteints à la surface stellaire. Celle-ci est d’abord portée à ~ 4 109 K durant ~ 0.03 s, puis à ~ 109K durant ~ 1.5 s, ensuite à ~ 109 K durant ~ 3 s.
Conclusion
On estime que les sursauts gamma déclenchés par « marées noires » se produisent en moyenne tous les 103-105 ans par galaxie, en fonction du profil de densité stellaire dans le noyau galactique et de la masse du trou noir central. Ce taux peut même être considérablement augmenté dans le cas d’un trou noir massif binaire. Puisque la plupart des galaxies — incluant notre propre Voie lactée — abritent un trou noir central massif, et puisque l’ensemble de l’univers observable est transparent aux longueurs d’ondes X et gamma, plusieurs événements de ce type pourraient être détectés annuellement.
Qui est le premier, les trous noirs super-massifs qui dévorent frénétiquement de la matière ou les énormes galaxies où ils résident ? Un tout nouveau scénario est apparu suite à une récente série de remarquables observations d’un trou noir « sans toit » : les trous noirs pourraient « construire » leur propre galaxie hôte. Ce résultat pourrait être le chainon manquant longtemps recherché pour comprendre pourquoi la masse des trous noirs hébergés par des galaxies contenant plus d’étoiles est plus importante.
La question de « la poule et de l’œuf », qui de la galaxie ou de son trou noir était là le premier, est un des sujets de l’astrophysique contemporaine les plus débattus » déclare David Elbaz, premier auteur de l’article scientifique présentant ce résultat. « Notre étude suggère que les trous noirs super-massifs peuvent déclencher la formation d’étoiles, « construisant ainsi leur propre galaxie hôte». Ce lien pourrait aussi permettre d’expliquer pourquoi les galaxies hébergeant les plus grands trous noirs ont plus d’étoiles. »
Pour obtenir une conclusion aussi extraordinaire, l’équipe d’astronomes a mené une importante campagne d’observation sur un curieux objet : le très proche quasar HE0450-2958 (voir le communiqué ESO PR 23/05 sur une précédente étude de cet objet), qui est le seul trou noir pour lequel les astronomes n’ont pas détecté de galaxie hôte [1]. HE0450-2958 est situé àquelques 5 milliards d’années-lumière de la Terre.
Jusqu’à maintenant, les astronomes supposaient que la galaxie hôte de ce quasar était cachée derrière une grande quantité de poussière. Aussi, les astronomes l’ont observé dans l’infrarouge.
Ces observations nous ont offert un nouveau regard surprenant sur ce système. Alors qu’aucune trace d’étoiles n’apparaît autour du trou noir, sa galaxie voisine est très riche en lumineuses et très jeunes étoiles.
Elle forme des étoiles à un taux équivalent à environ 350 soleils par an, cent fois plus que dans les galaxies typiques de l’Univers local.
De précédentes observations avaient montré que cette galaxie se faisait en fait tirer dessus : le quasar est en train de déverser un jet de particules de très haute énergie sur la galaxie, accompagné par un flot de gaz très rapide. L’injection de matière et d’énergie dans la galaxie indique que le quasar lui-même doit provoquer la formation d’étoiles et ainsi créer sa propre galaxie hôte. Dans un tel scénario, les galaxies auraient évolué à partir de nuages de gaz frappés par les jets d’énergie émergeant des quasars.
« Ces deux objets vont fatalement fusionner dans le futur : le quasar se déplace à une vitesse de seulement quelques dizaines de milliers de kilomètres par heure par rapport à la galaxie et ils sont éloignés d’à peine 22 000 années-lumière. » précise David Elbaz. « Bien que le quasar soit encore « nu », il finira par être « vêtu » quant il fusionnera avec sa galaxie riche en étoiles. Il résidera finalement à l’intérieur d’une galaxie comme tous les autres quasars. »
De ce fait, cette équipe a identifié les jets des trous noirs comme des moteurs possibles de la formation des galaxies et pourraient également être le lien longtemps recherché expliquant pourquoi la masse des trous noirs est plus importante dans les galaxies contenant plus d’étoiles [3].
« Un prolongement logique de notre recherche est de trouver des objets similaires dans d’autres systèmes » déclare Knud Jahnke.
Les prochains instruments, comme ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), l’E-ELT (le télescope géant européen) et le télescope spatial NASA / ESA / CSA James Web seront capables de chercher de tels objets, à des distances encore plus lointaines de la Terre, prouvant le lien entre les trous noirs et la formations des galaxies dans les parties les plus lointaines de l’Univers.
