mercredi 25 novembre 2015

Quand un trou noir dévore une étoile à neutrons

Que se passe-t-il quand une étoile à neutrons en orbite autour d'un trou noir s'en approche un peu trop près ? Contrairement au cas d'une étoile "normale" qui serait déchirée par les forces de marée produites par le trou noir, l'étoile à neutron, objet très compact de quelques kilomètres de diamètre, ne serait pas disloquée, mais absorbée entièrement et soudainement. Mais le phénomène pourrait bien être quand même détectable...


Une étoile à neutrons est un objet fortement magnétisé. Elle possède un puissant champ magnétique qui a pour effet de faire spiraler la moindre particule chargée parvenant dans son voisinage. Et quand une étoile à neutrons se trouve être dans un système binaire en compagnie d'un trou noir, couple de résidus d'étoiles mortes, elles ne peuvent que perdre leur énergie gravitationnelle et se rapprocher l'une de l'autre inéluctablement. Lorsque le trou noir passe dans le champ magnétique de l'étoile à neutrons, ce champ se retrouve fortement ébranlé et de cette variation spatio-temporelle du champ magnétique né un fort courant électrique, mettant en mouvement le plasma entourant les deux astres moribonds. Ce phénomène a été appelé le phénomène de batterie d'un trou noir.
 Vue d'artiste d'un système binaire trou noir/étoile à neutrons (Dana Berry/NASA)
Le phénomène a lieu lorsque l'étoile à neutrons est toute proche du trou noir, juste avant qu'elle ne soit avalée complètement par le trou. Il dure donc un très court instant et les astrophysiciens ont montré qu'un tel processus pourrait être à l'origine d'un phénomène observé depuis quelques années et resté jusqu'à aujourd'hui bien mystérieux : les bouffées d'ondes radio rapides (FRB, Fast Radio Bursts). 
Dans une étude parue dans The Astrophysical Journal Letters, Chiara Mingarelli du California Institude of Technology et ses collaborateurs montrent que la luminosité électromagnétique dans les longueurs d'ondes radio d'un phénomène de batterie de trou noir serait bien plus importante que ce qu'on imaginait auparavant. Les astronomes estimaient en effet que le phénomène d'absorption d'une étoile à neutrons par un trou noir était principalement accompagné d'une émission gamma ou de rayons X.
Les astrophysiciens proposent un scénario qui ne permet certes pas d'expliquer la totalité des FRB, mais tout de même une bonne sous-population. Car la coalescence de couples d'étoiles à neutrons/trous noirs produit une luminosité et une échelle temporelle un peu trop faibles pour pouvoir expliquer tous les types de bouffées d'ondes radio rapides.

Les chercheurs développent un scénario dans lequel l'absorption de l'étoile à neutrons induit l'existence d'un double pic d'émission intense d'ondes radio par le phénomène  de batterie: le premier a lieu juste avant l'absorption et le second juste après, lorsque le champ magnétique de l'ex-étoile à neutrons est récupéré par le trou noir, créant alors une sorte d'onde de choc électromagnétique. Le plus intense des deux est le premier pic d'émission radio.
Non seulement l'équipe de Chiara Mingarelli offre grâce à ces résultats une solution partielle, mais très pertinente, au mystère des bouffées d'ondes radio rapides, mais ils donnent également un outil très intéressant à tous leurs collègues qui s'intéressent aux ondes gravitationnelles, dont les couples d'objets compacts comme les couples étoiles à neutron-trous noir sont potentiellement les plus gros émetteurs, notamment au moment ultime de l'absorption/fusion.

En effet, si une contrepartie radio existe à une source d'ondes gravitationnelles de ce type, elle peut amener à affiner considérablement l'interprétation du signal obtenu à partir des ondes gravitationnelles seules et le rendre beaucoup plus robuste. La bouffée d'ondes radio fournit également une information très utile sur l'intensité du champ magnétique présent dans le couple d'objets compacts.

Chiara Mingarelli estime qu'il est probable que près de 5000 FRB pourraient être découverts dans les cinq prochaines années, avec parmi eux une bonne proportion issue du phénomène de batterie de trou noir, et autant de cibles pour les détecteurs d'ondes gravitationnelles VIRGO et LIGO.


Source : 

Fast Radio Bursts and Radio Transients from Black hole Batteries
Chiara Mingarelli et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 814, Number 2 (23 november 2015)