jeudi 12 septembre 2019

Des éruptions périodiques de rayons X observées autour d'un trou noir supermassif


Les trous noirs supermassifs peuvent absorber de la matière de manière périodique. Une équipe d’astrophysiciens vient de mettre à jour un tel phénomène avec le cas du trou noir de GSN 069 qui, il y a quelques mois, produisait toutes les 9 heures de fortes émissions de rayons X, signes de son activité répétitive. Une étude parue dans Nature.


C’est avec les télescopes à rayons X Chandra et XMM-Newton que Giovanni Miniutti (ESA) et ses collaborateurs ont observé ce qui se cache au centre de la galaxie GSN 069, un trou noir de (seulement) 400 000 masses solaires, 10 fois plus petit que notre Sgr A* ; une galaxie hôte qui se trouve à une distance de 250 millions d’années-lumière. Les deux premières bouffées avaient été détectées avec XMM-Newton le 24 décembre 2018, puis elles ont été suivies par d’autres observations plus longues avec le même télescope le 16 et 17 janvier 2019, qui ont permis d’identifier 5 nouvelles bouffées de rayons X. Et moins d’un mois plus tard, du nouveau temps d’observation sur GSN069 a été obtenu, cette fois sur Chandra et là encore, trois nouvelles bouffées de rayonnement X avec la même période que les précédentes, mais moins intenses, ont été observées. Les chercheurs ont ainsi pu tracer les émissions X périodiques sur une plage de 54 jours. L’intensité de l’émission X est modulée avec une intensité au maximum, qui est 20 fois plus élevée que celle du minimum, révélant un échauffement périodique du gaz autour du trou noir qui en est à l’origine.
A partir de l’émission de rayons X produite, les chercheurs peuvent estimer la quantité de matière qui tombe dans le trou noir, elle est égale à quatre fois la masse de la Lune, et ce environ trois fois par jour. Mais ce n’est pas tant la quantité de masse absorbée qui étonne ici, c’est l’aspect périodique et répétitif du phénomène. Une émission de rayons X quasi périodique avait déjà pu être observée autour de deux trous noirs stellaires (environ 10 masses solaires), mais encore jamais autour d’un trou noir supermassif. Giovanni Miniutti et son équipe ouvrent donc la voie et baptisent le phénomène QPE (X-ray Quasi Periodic Eruptions, éruptions quasi périodiques de rayons X).
Le suivi rendu possible par les observations conjointes des deux télescopes montre tout de même une évolution avec une intensité des bouffées qui tend à diminuer en amplitude et une période qui tend à s’allonger.
Mais en plus de l’aspect périodique observé, l’origine de ce gaz tombant vers le trou noir n’est pas si simple à déterminer car il apparaît être trop chaud pour être associé à un disque d’accrétion classique que l’on peut trouver autour d’un tel trou noir. La meilleure explication que les chercheurs proposent ici fait appel à une étoile que le trou noir aurait partiellement ou complètement disloquée et qu’il absorberait morceaux par morceaux. En revanche, cela n’explique pas la périodicité de 9 heures qui est observée. Les destructions d’étoiles par des trous noirs qui ont pu être observées par le passé n’ont jamais montré de telles bouffées de rayonnement périodiques. Giovanni Miniutti et ses collaborateurs tentent tout de même deux hypothèses. La première indique que de l’énergie s’accumulerait dans le disque d’accrétion jusqu’à ce qu’elle atteigne un certain niveau d’instabilité conduisant à une chute rapide de matière vers le trou noir, et le cycle se reproduirait continuellement. La seconde hypothèse propose l’existence d’une interaction entre le disque de gaz et le possible résidu de l’étoile partiellement détruite, en orbite autour du trou noir.

Il faut se rappeler que la périodicité des phénomènes émissifs en rotation qui ont lieu autour des trous noirs supermassifs est directement liée à la taille du trou noir (ou sa masse) : plus un trou noir est massif (et donc grand, son rayon étant proportionnel à sa masse), plus il faut du temps pour en faire le tour. Les phénomènes périodiques autour des trous noirs sont donc beaucoup plus facilement observables sur des trous noirs de relativement faible masse, comme celui de GSN 069 avec ses 400 000 masses solaires. Si un phénomène identique existait autour de Sgr A* par exemple, la périodicité observée ne serait pas de 9 heures mais de 3,75 jours (et plus de 16 ans sur M87*…). Cela peut expliquer pourquoi on n’avait pas encore pu observer de telles bouffées de rayons X quasi-périodiques.
D’après l’extrapolation de Miniutti et ses collaborateurs, les QPE de GSN 069 ont dû disparaître en juin 2019. Il pourra être intéressant de suivre de près le centre de GSN 069 pour vérifier ça et voir la suite de l’évolution de l’activité étonnante de son trou noir, qui n’a peut-être pas dit son dernier mot. Mais il faudra aussi chercher d’autres cas de QPE qui pourraient servir d’indicateurs de présence de trous noirs de masse intermédiaire, de moins de 100 000 masses solaires, qui sont tellement recherchés aujourd’hui. Les astrophysiciens ne doivent pas s’interdire non plus d’essayer de mettre en évidence des structures périodiques dans l’émission de quasars et autres noyaux actifs de galaxies qui abritent des trous noirs beaucoup plus massifs (ultra-massifs), car des signes auraient déjà été observés dans Mrk 590 et Mrk 1018…

Source
Nine-hour X-ray quasi-periodic eruptions from a low-mass black hole galactic nucleus
Giovanni Miniutti et al.
Nature (11 september 2019)

Illustrations
1) Image de GSN069  (visible et rayons X en rouge) (NASA/CXO/CSIC-INTA/G.Miniutti et al.; visible: DSS)
2) Courbes de luminosité X mesurées par les auteurs au cours des trois périodes d'observation avec XMM-Newton et Chandra (G. Miniutti et al.)