À partir de 18 années d'imagerie radio à haute résolution, une équipe de chercheurs parvient à détecter une courbure des jets du trou noir de Cygnus X-1, induite par le vent stellaire de l'étoile compagne dans le système binaire. En modélisant les interactions jet-vent, ils déterminent pour la première fois la puissance cinétique instantanée du jet, qu'ils peuvent comparer à la puissance moyenne, seule valeur accessible jusqu'alors. Ils publient leur étude dans Nature Astronomy.
Comprendre l'impact de l'accrétion de trous noirs supermassifs sur l'évolution des galaxies et des structures cosmiques est l'une des principales motivations de l'étude des jets relativistes. On observe que les jets génèrent des chocs à grande échelle, polluent le gaz interstellaire avec des champs magnétiques et des rayons cosmiques, créent une turbulence à grande échelle et vident de vastes cavités gazeuses à l'échelle des groupes et amas de galaxies. Mais il existe une difficulté fondamentale dans la modélisation de la rétroaction cinétique, qui provient de l'absence de mesure instantanée de la puissance du jet, qui pourrait renseigner sur la fraction de l'énergie accrétée qui est convertie en énergie cinétique du jet.
Pour contraindre cette rétroaction, les astrophysiciens se sont ainsi toujours appuyés sur des estimations de la puissance du jet moyennées dans le temps, des valeurs qu'ils obtiennent par calorimétrie des bulles gonflées par le jet. Cela implique de moyenner la puissance cinétique totale émise par un jet sur toute sa durée de vie, qui dépasse largement l'échelle de temps de variabilité du flux d'accrétion. En raison de ce décalage temporel, les mesures calorimétriques ne permettent donc pas de calibrer avec précision l'efficacité de la rétroaction cinétique instantanée des trous noirs en accrétion, qui est pourtant le paramètre essentiel pour les modèles de formation des grandes structures. Cela a poussé les astrophysiciens à développer une méthode permettant de mesurer la puissance instantanée des jets d'un trou noir en accrétion. Et pour ça, quoi de mieux qu'un trou noir stellaire proche dans un système binaire ?
En effet, les binaires X à trou noir offrent une opportunité unique de mesurer la puissance instantanée des jets grâce aux interactions théoriquement prédites entre le vent stellaire de l'étoile compagne et les jets. Dans ces systèmes, le trou noir accrète de la matière provenant du puissant vent stellaire de son étoile compagne massive. Les jets émis par le trou noir doivent ensuite se propager vers l'extérieur à travers ce vent. L'impact du vent peut dévier le jet, ce qui, combiné au mouvement orbital du trou noir, engendre un jet hélicoïdal. La trajectoire globale du jet est déterminée par les intensités relatives du flux de quantité de mouvement du vent et du flux de quantité de mouvement du jet. Par conséquent, si les paramètres du vent sont connus, il est possible de mesurer instantanément la puissance, la vitesse, la géométrie et tout désalignement entre le jet et la binaire.
À une distance de 2,22 kpc, le système binaire X à trou noir de grande masse Cygnus X-1 contient un trou noir de 21,2 ± 2,2 M⊙ en orbite avec une période de 5,6 jours avec une supergéante compagne de type spectral O et de masse 40,6 M⊙. Le trou noir s'alimente du vent stellaire de l'étoile donneuse, dont le taux de perte de masse est de (2,57 ± 0,05) × 10⁻⁶ M⊙ an⁻¹. Un jet stable est émis à proximité du trou noir et peut être résolu par des observations radio à haute résolution angulaire grâce à l'interférométrie à très longue base (VLBI). Les premières observations VLBI de Cygnus X-1 ont été réalisées à la fin des années 1990 et n'ont détecté que le jet s'approchant vers nous, amplifié par effet Doppler. Une campagne VLBI plus sensible, menée en 2016, a permis de détecter pour la première fois le jet opposé, s'éloignant de nous correspondant. Le jet s'éloignant présentait un angle de position similaire à celui du jet s'approchant dans le plan du ciel. La faible excentricité mesurée du système binaire ( e = 0,019 ± 0,003) et sa faible vitesse spatiale par rapport à son lieu de formation supposé au sein de l'association Cygnus OB3 impliquent une impulsion initiale relativement faible lors de la formation du trou noir, de sorte que l'axe du jet devrait être relativement bien aligné avec l'orbite du système binaire. Mais des travaux récents ont mis en évidence un désalignement important entre l'axe du jet et le vecteur moment cinétique orbital.
De plus, la calorimétrie de Cygnus X-1 a été utilisée pour ancrer de nombreuses relations d'échelle des trous noirs dérivées de l'observation (telles que la puissance du jet par rapport à la luminosité radio) sur toute la gamme de masses des trous noirs (en utilisant la nature invariante d'échelle des trous noirs. On comprend d'autant mieux la nécessité de mesurer la puissance instantanée du jet de Cygnus X-1.
S. Prabu (Université Curtin, Perth, Australie) et ses collaborateurs ont donc réanalysé les données de 2016. Leur analyse d'images individuelles VLBA et EVN de la campagne de 2016 a montré que les angles de position observés des jets s'approchant et s'éloignant variaient en fonction de la phase orbitale. Ils ont vérifié, à l'aide de données d'archives, que la variation de l'angle de position du jet s'approchant était reproductible, avec des écarts dépendant de la phase orbitale par rapport à un angle de position médian constant sur une période de 18 ans . De plus, une analyse du jet indépendante de tout modèle a montré que les jets s'approchant et s'éloignant se courbent dans des directions différentes, étant déviés de la position de l'étoile donneuse.
La différence observée par les chercheurs dans les angles de position des jets s'approchant et s'éloignant ne peut pas s'expliquer par une simple précession de l'axe du jet. Elle apparaît cependant naturellement dans un scénario où les jets sont déviés par l'impact du vent stellaire. Prabu et ses collaborateurs considèrent donc un modèle analytique de la courbure du jet induite par le vent. Ce modèle équilibre le flux de quantité de mouvement du vent avec le flux de quantité de mouvement latéral du jet et prend en compte le mouvement orbital pour prédire la structure hélicoïdale globale du jet. Ce modèle, fondé sur des principes physiques, prend également en compte les effets non balistiques dus à la poussée du jet hélicoïdal contre le vent. Afin d'inférer les propriétés du jet au lancement, ils ont ajusté ce modèle analytique, évalué numériquement, à la structure de jet qui est mesurée.
L'ajustement simultané des six époques d'observation VLBA de 2016 a ainsi permis d'obtenir pour la première fois une puissance de jet instantanée dans un trou noir en accrétion, ainsi que la vitesse du jet. Il avait été initialement proposé que le trou noir de Cygnus X-1 se soit formé par effondrement direct d'une étoile très massive. En l'absence d'une impulsion de supernova, l'axe de rotation du trou noir devrait donc être bien aligné avec son moment angulaire orbital. Mais la détection récente d'une forte polarisation des rayons X émis par le système indique un désalignement important, de l'ordre de 18°, le long de la ligne de visée. En revanche, une étude des déphasages dépendant de la fréquence, observés dans les courbes de lumière radio a indiqué un désalignement de 20 à 30° dans le plan du ciel. Compte tenu de ces résultats contradictoires, Prabu et al. ont exploré l'impact du désalignement sur les trajectoires calculées des jets.
En présence d'un jet désaligné, on s'attendrait à des interactions vent-jet non balistiques fortement asymétriques près de la base du jet. Quelle que soit la géométrie du désalignement, le jet s'approchant se propagerait vers l'étoile (où le vent est plus dense) à une phase orbitale particulière, tandis que le jet s'éloignant le ferait une demi-orbite plus tard. Un désalignement important ( ≳ 10°) entraînerait alors une forte courbure asymétrique des jets s'approchant et s'éloignant, due aux différentes forces non balistiques que leur inflige le vent ; or, les chercheurs n'observent pas ce phénomène.
Ils ont tout de même réajusté les trajectoires des jets avec davantage de paramètres pour tenir compte d'un désalignement entre l'axe du jet et l'axe orbital et ont pu déterminer la puissance du jet : 1037.3 erg.s-1, la vitesse de jet : 68% de la vitesse de la lumière, et un désalignement optimal de 5.2°. Cependant, pour tenir compte des éventuelles erreurs systématiques dues à la moyenne des trajectoires du jet sur une observation de 12 h, les astrophysiciens ont adopté une limite supérieure conservatrice de 8,2° sur le désalignement entre le jet et le système binaire.
Un si faible désalignement jet-orbite implique que d'autres explications sont nécessaires pour la forte polarisation des rayons X observée par IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), comme la présence d'un écoulement relativiste dans la couronne. Les déphasages radio mis pourraient quant à eux s'expliquer par la structure hélicoïdale du jet, créée par la courbure du jet et le mouvement orbital du trou noir. Ce faible désalignement est également cohérent avec la faible excentricité et la faible vitesse particulière du système, ainsi qu'avec les prédictions théoriques concernant la formation de trous noirs aussi massifs .
Bien que les estimations de la puissance du jet issues des trois modèles physiques (sans désalignement, avec désalignement et avec désalignement et jet non conique) concordent entre elles à un niveau de 1 σ et soient relativement insensibles aux incertitudes du taux de perte de masse du vent de l'étoile donneuse , Prabu et ses collaborateurs privilégient l'estimation de la puissance du jet issue du modèle qui permet à la fois un désalignement et une géométrie de jet non conique. Ce modèle, qui repose sur le moins d'hypothèses, implique que, durant la durée de vie de quelques millions d'années du système binaire X à trou noir Cygnus X-1, la rétroaction cinétique totale des jets serait de l'ordre de plusieurs fois 10⁵⁰ ergs, ce qui est comparable à celle d'une supernova.
Les chercheurs notent que la puissance instantanée des jets qu'ils ont mesurée est en excellent accord avec la puissance moyenne des jets de 4 à 14 × 10³⁶ ergs s⁻¹ obtenue pour Cygnus X-1 par calorimétrie. La ressemblance frappante entre la luminosité bolométrique des rayons X durs de Cygnus X-1 et la mesure de puissance du jet de Prabu et al. valide les fractions de conversion d'accrétion en énergie du jet qui sont communément supposées dans les simulations typiques de formation de galaxies.
Grâce à une mesure précise et instantanée de la puissance des jets de Cygnus X-1, les chercheurs ont ainsi validé l'utilisation de la calorimétrie utilisée jusqu'alors pour calibrer la fraction d'énergie d'accrétion qui est convertie en énergie cinétique des jets. La forte concordance entre les puissances instantanées et moyennes des jets suggère la stabilité à long terme des jets produits par des flux d'accrétion radiatifs X durs inefficaces. Cette validation renforce la confiance dans l'applicabilité plus large des techniques calorimétriques pour estimer la puissance des jets dans d'autres systèmes de trous noirs, y compris les noyaux actifs de galaxies, indépendamment de leur régime d'accrétion spécifique.
Cette mesure inédite de la fraction de conversion instantanée de l'énergie d'accrétion en énergie des jets conforte également fortement le bilan énergétique qui a été supposé pour les trous noirs en accrétion dans les simulations cosmologiques à grande échelle.
Source
A jet bent by a stellar wind in the black hole X-ray binary Cygnus X-1
S. Prabu, et al.
Nature Astronomy (2026)
https://doi.org/10.1038/s41550-026-02828-3
Illustration
Vue d'artiste de Cygnus X-1 (International Centre for Radio Astronomy Research)
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