Lorsqu’un trou noir de masse stellaire aspire le gaz et la poussière d’une étoile en orbite, il peut émettre des rafales spectaculaires de rayons X qui rebondissent et se reflètent sur le gaz entrant, illuminant brièvement l’environnement extrême d’un trou noir. Dans une nouvelle recherche, des astrophysiciens de l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT et d’ailleurs ont utilisé un outil de recherche automatisé – qu’ils ont surnommé la « machine à réverbération » – pour passer au crible les données de l’explorateur de composition intérieure des étoiles à neutrons (NICER) de la NASA. . , un télescope à rayons X à haute résolution à bord de la Station spatiale internationale, pour les signes d’échos de trous noirs. En conséquence, ils ont découvert huit nouveaux binaires de trous noirs en écho dans notre Voie lactée. Jusqu’à présent, seuls deux de ces systèmes dans la Voie lactée sont connus pour émettre des échos de rayons X.
Vue d’artiste d’un système binaire de rayons X à trou noir. Crédit photo : Instituto de Astrofísica de Canarias.
Les trous noirs sont les laboratoires les plus extrêmes pour étudier la physique de l’accrétion et de l’éjection, et finalement pour tester les théories de la gravité.
En plus des trous noirs supermassifs au centre des galaxies, il existe également des trous noirs de masse stellaire qui sont principalement découverts lorsqu’ils sont brillants aux rayons X dans des systèmes appelés binaires à rayons X.
Ce sont des systèmes binaires constitués d’un objet compact accrétant la matière d’une étoile compagne.
Si la masse de l’étoile compagne est inférieure à environ une masse solaire, on parle d’une étoile binaire à rayons X de faible masse. Selon la nature de l’objet compact central, la source est classée soit comme un binaire de rayons X de trou noir, soit comme un binaire de rayons X d’étoile à neutrons.
« Nous utilisons des échos de rayons X pour cartographier l’environnement d’un trou noir, tout comme les chauves-souris utilisent des échos sonores pour naviguer dans leur environnement », ont déclaré l’astrophysicienne du MIT Erin Kara et ses collègues.
« Lorsqu’une chauve-souris émet un appel, le son peut rebondir sur un obstacle et revenir à la chauve-souris. »
« Le temps qu’il faut pour que l’écho revienne est relatif à la distance entre la chauve-souris et l’obstacle, donnant à l’animal une carte mentale de son environnement. »
« De même, nous essayons de cartographier le voisinage immédiat d’un trou noir à l’aide d’échos de rayons X. »
« Les échos représentent des délais entre deux types de rayons X : la lumière émise directement par la couronne et la lumière de la couronne réfléchie par le disque d’accrétion de gaz et de poussière entrants. »
« Le temps qu’un télescope reçoit de la lumière de la couronne par rapport au temps qu’il reçoit les échos de rayons X donne une estimation de la distance entre la couronne et le disque d’accrétion. »
« Observer comment ces décalages temporels changent peut révéler comment la couronne et le disque d’un trou noir évoluent à mesure que le trou noir consomme de la matière stellaire. »
Dans l’étude, les chercheurs ont développé un nouvel algorithme de recherche pour parcourir les données NICER.
L’algorithme a sélectionné 26 systèmes de trous noirs binaires à rayons X précédemment connus pour émettre des sursauts de rayons X.
Sur ces 26, les scientifiques ont découvert que 10 systèmes étaient suffisamment proches et lumineux pour voir les échos de rayons X au milieu des explosions.
Huit des 10 n’étaient pas connus auparavant pour émettre des échos.
« Nous voyons de nouvelles signatures de réverbération dans huit sources », a déclaré Jingyi Wang, étudiant diplômé du MIT.
« Les trous noirs ont une masse de cinq à 15 fois celle du Soleil, et ils sont tous dans des binaires avec des étoiles normales, de faible masse, semblables au Soleil. »
Les astrophysiciens ont ensuite exécuté l’algorithme sur les 10 binaires de trous noirs et divisé les données en groupes avec des caractéristiques de synchronisation spectrale similaires, c’est-à-dire des retards similaires entre les rayons X à haute énergie et les échos retraités.
Cela a permis de suivre rapidement l’évolution des retours de rayons X à chaque étape lors d’une éruption de trou noir.
Ils ont identifié un développement commun à tous les systèmes.
Dans l’état initial « dur », dans lequel une couronne et un jet de particules de haute énergie dominent l’énergie du trou noir, ils ont détecté des décalages temporels courts et rapides de l’ordre de la milliseconde. Cette condition difficile dure plusieurs semaines.
Ensuite, sur plusieurs jours, une transition se produit au cours de laquelle la couronne et le jet pulvérisent et meurent, et un état mou commence, dominé par les rayons X de plus faible énergie provenant du disque d’accrétion du trou noir.
Au cours de cet état de transition difficile à doux, ils ont constaté que les délais dans les 10 systèmes devenaient momentanément plus longs, ce qui signifie que la distance entre la couronne et le disque augmentait également.
Une explication est que la couronne pourrait brièvement s’étendre vers l’extérieur et vers le haut dans une dernière explosion à haute énergie avant que le trou noir ne termine la majeure partie de son repas stellaire et ne se stabilise.
« Nous commençons tout juste à utiliser ces échos lumineux pour reconstruire les environnements les plus proches du trou noir », a déclaré le Dr. Kara.
« Maintenant, nous avons montré que ces échos sont fréquemment observés, et nous sommes en mesure d’étudier de nouvelles manières les connexions entre le disque, le jet et la couronne d’un trou noir. »
Les résultats apparaissent dans le Journal astrophysique.
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Jingyi Wang et al. 2022. The NICER ‘Reverberation Machine:’ Une étude systématique des décalages temporels dans les binaires à rayons X des trous noirs. ApJ 930, 18 ; doi : 10.3847/1538-4357/ac6262
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