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Sgr A* : nouveau record de luminosité X pour notre trou noir supermassif

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Le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée est un laboratoire pour comprendre la physique des quasars et plus généralement des trous noirs. Observé fréquemment dans le domaine des rayons X par le télescope Chandra, il a battu son propre record de luminosité en 2013, peut-être en détruisant et avalant un astéroïde.

Interview : un trou noir peut-il exploser ?  Un trou noir est un objet céleste difficile à observer directement. L’intensité de son champ gravitationnel est si intense qu’il empêche en théorie toute forme de matière ou de rayonnement de s’échapper. Peut-il exploser ? C'est la question que Futura-Sciences a posée à Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples. 

Dans le film Interstellar, le trou noir supermassif Gargantua est censé contenir l'équivalent de cent millions de masses solaires. Dans la réalité, ces objets astronomiques sont au cœur de toutes les grandes galaxies et peuvent contenir jusqu'à plusieurs milliards de masses solaires. Celui au cœur de notre Voie lactée, Sgr A*, est donc bien modeste avec ses 4,5 millions de masses solaires. S'il s'agit bien d'un trou noir de Kerr en rotation, comme tous les autres trous noirs supermassifs, il n'accrète que très peu de matière comme ceux qui sont à l'origine du rayonnement incroyable des quasars.

Le trou noir de notre Galaxie a d'abord manifesté sa présence sous forme d'ondes radio et c'est pourquoi on l'appelle souvent du nom de la source associée, Sagittarius A*. Deux astrophysiciens, Reinhard Genzel et Andrea Ghez, ont ensuite étudié pendant des années les mouvements de certaines étoiles autour de cette source avec l'aide de leurs collègues. Cela leur a permis de démontrer qu'il s'agissait en fait d'un trou noir supermassif, ce qui leur a valu en 2012 le prix Crafoord. Aujourd'hui, les chercheurs continuent d'observer Sgr A*, en particulier dans le domaine des rayons X, car il s'agit du trou noir supermassif le plus proche du Soleil. Ils peuvent l'utiliser comme un laboratoire pour tester leurs idées sur la physique de l'accrétion de la matière par les trous noirs mais aussi celles sur la relativité générale, comme par exemple avec le projet Event Horizon Telescope (EHT).

Sgr A* est devenu 400 fois plus lumineux en quelques heures

Chandra est l'un des yeux en orbite de l'humanité. Le satellite sonde les arcanes des quasars en observant Sgr A* dans le domaine des rayons X. Avec lui, la Nasa a détecté le 14 septembre 2013 un flash transitoire 400 fois plus lumineux que ne l'est ordinairement le trou noir et trois fois plus brillant que celui observé en 2012 qui constituait le précédent record de luminosité. Les astrophysiciens ont écarté l'hypothèse qu'il puisse s'agir d'émissions associées à la présence du fameux nuage de gaz G2, situé à proximité de Sgr A*, et qui a défrayé la chronique il y a quelques années (il a finalement été démontré qu'il s'agissait d'une étoile géante entourée de gaz et de poussières laissés par sa formation à la suite de la fusion des composantes d'une étoile binaire). En effet, l'éruption observée par les instruments de Chandra s'est produite à une distance une centaine de fois plus petite que ne l'est G2 du trou noir central de la Galaxie.

Cette vidéo montre une vue du centre de la Voie lactée dans le domaine des rayons X et notamment de la région contenant Sagittarius A*. Ici, en 2013 et 2014, des éruptions particulièrement lumineuses ont eu lieu (en bleu sur fond noir dans la vidéo). © Nasa, CXC, A. Hobartl

Les chercheurs n'ont pas encore pu déterminer la nature exacte du phénomène qui a donné lieu à l'événement de septembre 2013 (un flash similaire mais seulement 200 fois plus lumineux que la normale s'est aussi produit le 20 octobre 2014). Mais deux hypothèses très crédibles sont en lice comme l'explique la vidéo ci-dessus.

Dislocation gravitationnelle ou reconnexion magnétique ?

La première fait intervenir la dislocation d'un astéroïde par les forces de marée du trou noir supermassif alors qu'il s'est approché trop près de l'horizon des événements. Si tel était bien le cas, la matière résultant de cette destruction aurait formé un courant tombant en décrivant une spirale en direction du trou noir ce qui l'aurait conduit à s'échauffer et à briller dans le domaine des rayons X. Quelques heures auraient alors suffit avant que l'approche de l'horizon du trou noir ne produise un décalage spectral vers le rouge et une diminution de la luminosité de la matière qui s'apprêtait à franchir le point de non retour. En pratique, l'événement serait donc devenu inobservable pour nous. Or le flash de septembre 2013 n'a effectivement duré que quelques heures. On aurait donc assisté à la destruction du plus gros astéroïde avalé par Sgr A* connu à ce jour.

La seconde hypothèse, tout aussi plausible, repose sur le fait que l'accrétion de matière par un trou noir supermassif génère un champ magnétique. Du gaz alimente en permanence Sgr A* de sorte qu'il est entouré par des lignes de champs magnétiques. Ces lignes peuvent se déformer et s'enrouler comme le font celles générées par le Soleil. Il peut donc s'y produire le même phénomène de reconnexion magnétique, c'est-à-direune reconfiguration spontanée et rapide de la structure de ces lignes du champ magnétique. De l'énergie est alors libérée ce qui aurait donc généré l'équivalent des éruptions magnétiques observées dans la couronne solaire. Il se trouve que la courbe de luminosité en X de ce phénomène pour le Soleil ressemble à celle observée avec l'événement de septembre autour de Sgr A*.

Ces flashs en rayons X sont des fenêtres qui nous permettent de comprendre et d'étudier la physique et l'astrophysique d'objets qui sont parmi les plus extrêmes et les plus fascinants de l'univers.

Cette image de Chandra en fausses couleurs montre la région autour de Sgr A* dans le domaine des rayons X. Les émissions à basse, moyenne et haute énergies sont respectivement représentées en rouge, vert et bleu. Sgr A* est situé dans la zone blanche au centre de l'image. Les volutes bleu et orange autour de cette zone peuvent être les restes d'éruptions de Sgr A* qui ont eu lieu il y a des millions d'années. La variation de la luminosité observée plus récemment est aussi représentée. © Nasa, CXC, Stanford, I. Zhuravleva et al.