Des astrophysiciens ont observé la structure détaillée du vent de disque d'accrétion de l'étoile à neutron de la binaire X Hercules X-1, un système dans lequel l'étoile à neutrons accrète la matière d'une étoile semblable au soleil. Les chercheurs ont exploité une singularité de ce disque d'accrétion : il oscille dans sa rotation, ce qui a permis l'observation de différentes perspectives et pour la première fois une carte bidimensionnelle de ses vents. L'étude est publiée dans Nature Astronomy.
Un disque d'accrétion est un tourbillon de gaz et de poussière qui se rassemble autour d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons à partir de la matière d'une étoile proche. Lorsque le disque tourne, il crée des vents puissants qui poussent et tirent sur le plasma. Ces sorties massives peuvent affecter l'environnement des trous noirs ou des étoiles à neutrons en chauffant et en soufflant le gaz et la poussière qui les entourent. Les astronomes ont déjà observé des signes de vents de disque dans de nombreux systèmes, y compris des trous noirs en accrétion et des étoiles à neutrons. Mais jusqu'à aujourd'hui, ils n'ont eu qu'une vision très étroite de ce phénomène.
Peter Kosec (MIT) et ses collaborateurs ont réussi à révéler la forme et la structure verticales du vent, ainsi que sa vitesse, quelques centaines de kilomètres par seconde. Pour arriver à ça, ils ont profité du fait que ce disque d'accrétion montre un mouvement de précession : son plan de rotation oscille au cours du temps, ce qui fait qu'on ne le voit pas tout à fait avec la même perspective au cours du temps et que donc, l'émission qui émane de l'étoile à neutrons et du disque lui-même ne traversent pas tout à fait la même quantité de vent avant de nous parvenir. On dispose d'une ligne de visée variable dans le temps, ce qui permet en quelque sorte de voir le relief du vent.
La manière exacte avec laquelle les vents sont lancés à partir de ces systèmes binaires n'est pas claire. Certaines théories proposent que les champs magnétiques pourraient déchiqueter partiellement le disque d'accrétion et expulser une partie du matériau vers l'extérieur sous forme de vent. D'autres postulent que c'est le rayonnement de l'étoile à neutrons qui pourrait chauffer et évaporer la surface du disque dans des bouffées. Il fallait mieux connaître la structure verticale du vent pour obtenir des indices sur ses origines. La plupart des binaires produisent des disques d'accrétion de forme relativement uniforme qui tournent dans un seul plan. Dans ces systèmes, les chercheurs ne peuvent observer les effets des vents du disque que dans une zone fixe et étroite par rapport à leur disque en rotation et n'ont donc qu'une vue très partielle. Hercules X-1 se démarque de la plupart des binaires à rayons X connues grâce à son disque d'accrétion déformé, qui précesse avec une période de 35 jours lorsqu'il tourne autour de l'étoile à neutrons centrale du système. Les vents qui proviennent de quelque part dans le disque vont donc traverser notre ligne de visée à différentes hauteurs au-dessus du disque en fonction du temps. Kosec et ses collaborateurs ont ainsi pu retracer le comportement vertical des vents de disque en observant l'absorption de l'émission X du disque avec les deux télescopes à rayons X toujours à la pointe : XMM Newton et Chandra.
A partir de différentes raies d'absorption, Kosec et ses collaborateurs déterminent la température, la vitesse et la densité de plasma dans le vent, et ce à différentes hauteurs au dessus du disque en fonction du temps, associé à la période d'oscillation du disque d'accrétion. Les chercheurs montrent que le vent s'élève du disque, à un angle d'environ 12 degrés par rapport au disque alors qu'il se diffuse dans l'espace et qu'il devient également plus froid et plus grumeleux. Il reste maintenant à comparer ces observations avec des simulations de divers mécanismes de lancement du vent, pour voir lequel pourrait le mieux expliquer ses origines. L'idée pour les chercheurs, maintenant qu'ils ont réussi à obtenir de tels détails, ce serait de découvrir davantage de systèmes à disque déformé et oscillant pour pouvoir cartographier leurs structures de vent de disque. Ils ont d'ores et déjà en vue deux binaires X dont on sait que le disque tourne avec une précession : LMC X-4 et SMC X-1.
La compréhension de la structure bidimensionnelle du vent de disque est importante car le processus physique qui est en jeu est le même que celui que l'on retrouve au niveau des disques d'accrétion des trous noirs supermassifs au coeur des galaxies, à une toute autre échelle. Et on pense que ces vents de disque issus des trous noirs supermassifs peuvent jouer un rôle très important dans la structuration et la formation des galaxies. L'enjeu est donc là, et Peter Kosec et son équipe viennent de lever un petit coin du voile.
Source
Vertical wind structure in an X-ray binary revealed by a precessing accretion disk
P. Kosec et al.
Nature Astronomy (10 april 2023)
Illustration
Schéma des différentes observations effectuées au cours du cycle de précession de Her-X1, permettant de cartographier la distribution verticale du vent de disque (Kosec et al.)
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