Des astronomes ont découvert un trou noir supermassif (SMBH) dont l’horaire d’alimentation est inhabituellement régulier.
Ce mastodonte est un noyau galactique actif (NGA) situé au cœur de la galaxie de Seyfert 2 GSN 069. Le NAG se trouve à environ 250 millions d’années-lumière de la Terre et contient environ 400 000 fois la masse du Soleil.
L’équipe d’astronomes a utilisé le XMM-Newton de l’ESA et le Chandra X-ray Observatory de la NASA pour observer les émissions de rayons X du SMBH. Toutes les 9 heures environ, le trou noir émet des rayons X très brillants lorsque de la matière est aspirée à l’intérieur.
Les astronomes ont trouvé deux autres trous noirs de masse stellaire qui s’enflamment régulièrement lorsqu’ils se nourrissent, mais ce type de régularité dans un trou noir supermassif n’a jamais été observé auparavant.
L’article décrivant cette découverte est publié dans Nature et s’intitule “Nine-hour X-ray quasi-periodic eruptions from a low-mass black hole galactic nucleus “
L’auteur principal est Giovanni Miniutti, du Centre d’astrobiologie de l’ESA, en Espagne.
Selon l’article, le SMBH consomme environ quatre lunes de matière trois fois par jour. Cela signifie qu’à chaque fois que le trou noir se nourrit, il consomme environ un million de milliards de livres de matière.
“Ce trou noir a un régime alimentaire comme nous n’en avons jamais vu auparavant”, a déclaré Miniutti dans un communiqué de presse.
“Ce comportement est tellement inédit que nous avons dû inventer une nouvelle expression pour le décrire : “Eruptions quasi-périodiques à rayons X”.”
Les émissions de rayons X de ce SMBH sont connues et observées depuis juillet 2010, mais elles étaient régulières. Le nouveau document est basé sur 54 jours d’observations à partir de décembre 2018, en commençant par l’observatoire XMM-Newton de l’ESA.
Cet observatoire a repéré deux sursauts le 24 décembre. En janvier, XMM-Newton a trouvé trois autres de ces sursauts réguliers.
Les astronomes ont alors demandé plus de temps d’observation à l’observatoire Chandra de la NASA pour enquêter. Chandra a observé cinq autres de ces événements.
Pendant les éruptions régulières actuelles, l’activité d’éruption des rayons X augmente de deux ordres de grandeur par rapport aux émissions de rayons X de fond. Chaque éruption dure un peu plus d’une heure et se produit toutes les neuf heures.
Deux éruptions initiales (bleu) et les éruptions suivantes repérées par XMM-Newton (vert) et Chandra (rouge). (G. Miniutti et. al., 2019.)
“En combinant les données de ces deux observatoires à rayons X, nous avons suivi ces éruptions périodiques pendant au moins 54 jours”, a déclaré le coauteur Richard Saxton du Centre européen d’astronomie spatiale à Madrid, en Espagne.
“Cela nous donne une occasion unique d’assister à l’accélération et au ralentissement répétés du flux de matière dans un trou noir supermassif”
Pendant chacune de ces explosions, les rayons X sont 20 fois plus brillants que pendant les périodes calmes. La température du gaz en chute libre augmente également. Elle passe d’environ 1 million de degrés Fahrenheit pendant les périodes plus calmes à 2,5 millions de degrés Fahrenheit pendant les éruptions. Cette température plus élevée est à peu près la même que celle du gaz entourant la plupart des SMBH qui se développent activement.
La cause de ces éruptions régulières est inconnue. Le gaz chaud de 2,5 millions de degrés F. entourant GSN 069 est de la même température que le gaz entourant d’autres SMBHs. C’est un mystère car il est tout simplement trop chaud pour provenir du disque de matière en chute libre qui entoure les trous noirs. Mais GSN 069 offre une occasion unique d’étudier ce phénomène, car le gaz chaud se forme puis disparaît à plusieurs reprises.
Normalement, ce gaz chaud est causé par une étoile déchirée et consumée par un trou noir, du moins c’est ce que pensent les astronomes. Mais la régularité dont fait preuve GSN 069 est un mystère.
“Nous pensons que l’origine de l’émission de rayons X est une étoile que le trou noir a partiellement ou complètement déchirée et qu’il consomme lentement, petit à petit”, a déclaré la co-auteure Margherita Giustini, également du Centre d’astrobiologie de l’ESA.
“Mais pour ce qui est des sursauts répétés, c’est une histoire complètement différente dont l’origine doit être étudiée avec d’autres données et de nouveaux modèles théoriques.”
Encore une fois, voir un trou noir supermassif consommer le gaz d’une étoile n’a rien de nouveau. C’est la régularité de l’éruption de GSN 069 qui est le casse-tête. Les auteurs de l’étude suggèrent deux explications possibles pour le programme d’alimentation régulier du SMBH :
- La quantité d’énergie dans le disque s’accumule jusqu’à ce qu’elle devienne instable et que la matière tombe rapidement dans le trou noir produisant les explosions. Ce cycle se répète.
- Il y a une interaction entre le disque et un corps secondaire en orbite autour du trou noir, peut-être le vestige de l’étoile partiellement disloquée.
Grâce aux observations de Chandra, l’équipe de scientifiques sait que la source de l’explosion des rayons X se trouve en plein cœur de GSN 069. C’est là que l’on s’attend à trouver un SMBH.
Les données combinées de Chandra et de XMM-Newton montrent aussi clairement que le rayonnement, bien que régulier, change lentement : la taille et la durée des “repas” du trou noir ont légèrement diminué, et l’espace entre chaque repas augmente. C’est aux observations futures de voir si ces tendances se poursuivent.
GSN 069 est plutôt petit pour un SMBH. Habituellement, un SMBH contient une masse de plusieurs millions, voire plusieurs milliards de soleils, alors que GSN 069 ne contient qu’une masse d’environ 400 000 soleils. Cela pourrait contribuer à expliquer pourquoi ce type d’alimentation régulière n’a pas été observé auparavant.
Pour les plus grands SMBH, beaucoup plus grands que celui-ci, les fluctuations de luminosité sont beaucoup plus lentes. Plutôt que d’entrer en éruption toutes les neuf heures, il leur faudrait des mois, voire des années, pour s’enflammer de la sorte. Cela expliquerait pourquoi des éruptions quasi-périodiques (QPE) comme celle-ci n’ont pas été observées. Les observatoires à rayons X sont très occupés et il est impossible de les faire fonctionner sur une seule cible pendant une période aussi longue.
Dans plusieurs cas, on a observé de fortes augmentations ou diminutions des rayons X produits par les trous noirs. Ces observations reposaient sur des observations répétées pendant des mois, voire des années.
Certains de ces changements sont trop rapides pour être expliqués par la théorie standard de la chute de matière du disque d’accrétion d’un trou noir. Mais cette découverte pourrait expliquer ces observations. Elles pourraient avoir un comportement similaire à celui de GSN 069.