En 2019, les astronomes ont observé l’exemple le plus proche à ce jour d’une étoile qui a été déchiquetée, ou « spaghettifiée », après s’être approchée trop près d’un trou noir massif.
Cette perturbation de marée d’une étoile semblable au soleil par un trou noir 1 million de fois plus massif que lui-même a eu lieu à 215 millions d’années-lumière de la Terre. Heureusement, il s’agissait du premier événement de ce type suffisamment brillant pour que les astronomes de l’Université de Californie à Berkeley puissent étudier la lumière optique de la mort stellaire, en particulier la polarisation de la lumière, pour en savoir plus sur ce qui s’est passé après la déchirure de l’étoile.
Leurs observations du 8 octobre 2019 suggèrent qu’une grande partie du matériau de l’étoile a été emportée à grande vitesse – jusqu’à 10 000 kilomètres par seconde – et a formé un nuage sphérique de gaz qui a bloqué la plupart des émissions à haute énergie produites par le trou noir a englouti le reste de l’étoile.
Plus tôt, d’autres observations de la lumière optique de l’explosion, appelées AT2019qiz, ont révélé qu’une grande partie de la matière de l’étoile était lancée vers l’extérieur dans un vent puissant. Mais les nouvelles données sur la polarisation de la lumière, qui était essentiellement nulle aux longueurs d’onde visibles ou optiques lorsque l’événement était le plus brillant, indiquent aux astronomes que le nuage était probablement à symétrie sphérique.
« C’est la première fois que quelqu’un déduit la forme du nuage de gaz autour d’une étoile spaghetifiée par les marées », a déclaré Alex Filippenko, professeur d’astronomie à l’UC Berkeley et membre de l’équipe de recherche.
Les résultats soutiennent une réponse à la raison pour laquelle les astronomes ne voient pas les rayonnements à haute énergie, tels que les rayons X, provenant de plusieurs des dizaines d’événements de perturbation des marées observés à ce jour : les rayons X, qui sont produits par des matériaux arrachés à l’étoile. et entraînés dans un disque d’accrétion autour du trou noir avant de tomber vers l’intérieur, sont masqués par le gaz soufflé vers l’extérieur par les vents puissants du trou noir.
« Cette observation exclut une classe de solutions qui ont été proposées théoriquement et nous donne une contrainte plus forte sur ce qui arrive au gaz autour d’un trou noir », a déclaré Kishore Patra, étudiant diplômé de l’UC Berkeley, auteur principal de l’étude. « Les gens ont vu d’autres preuves de vent sortant de ces événements, et je pense que cette étude de polarisation renforce définitivement cette preuve, dans le sens où vous n’obtiendriez pas une géométrie sphérique sans avoir une quantité suffisante de vent. Le fait intéressant voici qu’une fraction importante de la matière de l’étoile qui tourne vers l’intérieur ne tombe pas finalement dans le trou noir – elle est expulsée du trou noir. »
La polarisation révèle la symétrie
De nombreux théoriciens ont émis l’hypothèse que les débris stellaires forment un disque asymétrique excentrique après perturbation, mais un disque excentrique devrait montrer un degré de polarisation relativement élevé, ce qui signifierait que peut-être plusieurs pour cent de la lumière totale est polarisée. Cela n’a pas été observé pour cet événement de perturbation par les marées.
« L’une des choses les plus folles qu’un trou noir supermassif puisse faire est de déchiqueter une étoile par ses énormes forces de marée », a déclaré Wenbin Lu, membre de l’équipe, professeur adjoint d’astronomie à l’UC Berkeley. « Ces événements de perturbation des marées stellaires sont l’une des rares façons dont les astronomes connaissent l’existence de trous noirs supermassifs au centre des galaxies et mesurent leurs propriétés. Cependant, en raison du coût de calcul extrême de la simulation numérique de tels événements, les astronomes ne comprennent toujours pas le processus compliqués après une perturbation de la marée. »
Une deuxième série d’observations le 6 novembre, 29 jours après l’observation d’octobre, a révélé que la lumière était très légèrement polarisée, environ 1%, suggérant que le nuage s’était suffisamment aminci pour révéler la structure asymétrique du gaz autour du trou noir. Les deux observations provenaient du télescope Shane de 3 mètres de l’observatoire Lick près de San Jose, en Californie, qui est équipé du spectrographe Kast, un instrument capable de déterminer la polarisation de la lumière sur tout le spectre optique. La lumière devient polarisée – son champ électrique vibre principalement dans une direction – lorsqu’elle diffuse des électrons dans le nuage de gaz.
« Le disque d’accrétion lui-même est suffisamment chaud pour émettre la majeure partie de sa lumière dans les rayons X, mais cette lumière doit traverser ce nuage, et il y a de nombreuses diffusions, absorptions et réémissions de lumière avant qu’elle ne puisse s’échapper de ce nuage », dit Patra. « Avec chacun de ces processus, la lumière perd une partie de son énergie photonique, descendant jusqu’aux énergies ultraviolette et optique. La diffusion finale détermine alors l’état de polarisation du photon. Ainsi, en mesurant la polarisation, nous pouvons en déduire la géométrie de la surface où la dispersion finale se produit. »
Patra a noté que ce scénario de lit de mort ne peut s’appliquer qu’aux perturbations normales des marées – et non aux « bizarres », dans lesquelles des jets relativistes de matière sont expulsés par les pôles du trou noir. Seules d’autres mesures de la polarisation de la lumière provenant de ces événements répondront à cette question.
« Les études de polarisation sont très difficiles, et très peu de gens connaissent suffisamment la technique dans le monde pour l’utiliser », a-t-il déclaré. « Donc, c’est un territoire inexploré pour les événements de perturbation des marées. »
Patra, Filippenko, Lu et le chercheur de l’UC Berkeley Thomas Brink, l’étudiant diplômé Sergiy Vasylyev et le boursier postdoctoral Yi Yang ont rapporté leurs observations dans un article qui a été accepté pour publication dans la revue Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
Un nuage 100 fois plus grand que l’orbite terrestre
Les chercheurs de l’UC Berkeley ont calculé que la lumière polarisée était émise par la surface d’un nuage sphérique d’un rayon d’environ 100 unités astronomiques (ua), 100 fois plus éloigné de l’étoile que la Terre ne l’est du soleil. Une lueur optique de gaz chaud émanait d’une région à environ 30 ua.
Les observations spectropolarimétriques de 2019 – une technique qui mesure la polarisation sur de nombreuses longueurs d’onde de lumière – concernaient AT2019qiz, un événement de perturbation des marées situé dans une galaxie spirale de la constellation d’Eridanus. La polarisation nulle de l’ensemble du spectre en octobre indique un nuage de gaz à symétrie sphérique – tous les photons polarisés s’équilibrent. La légère polarisation des mesures de novembre indique une petite asymétrie. Parce que ces perturbations de marée se produisent si loin, au centre de galaxies lointaines, elles apparaissent uniquement comme un point lumineux, et la polarisation est l’une des rares indications de la forme des objets.
« Ces événements perturbateurs sont si éloignés que vous ne pouvez pas vraiment les résoudre, vous ne pouvez donc pas étudier la géométrie de l’événement ou la structure de ces explosions », a déclaré Filippenko. « Mais l’étude de la lumière polarisée nous aide en fait à déduire des informations sur la distribution de la matière dans cette explosion ou, dans ce cas, sur la forme du gaz – et éventuellement du disque d’accrétion – autour de ce trou noir. »
Kishore C Patra et al, Spectropolarimétrie de l’événement de perturbation des marées AT 2019qiz : une couche de retraitement quasi sphérique, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society (2022). DOI : 10.1093/mnras/stac1727