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GALEX dévoile un trou noir géant faisant son festin d'une étoile

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Un trou noir géant en train de se servir dans un cellier cosmique garni d'étoiles, a été pris la main dans le sac grâce au satellite « Galaxy Evolution Explorer » (GALEX). Ce satellite, développé par la NASA en collaboration avec le CNES et le Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (OAMP/ CNRS/ Université de Provence), permet pour la première fois aux astronomes d'observer toutes les étapes de l'absorption d'une étoile par un trou noir, de la première à la dernière bouchée.

« Cet événement très rare et donc exceptionnel offre aux scientifiques de précieuses informations pour comprendre l'évolution conjointe des trous noirs et de leurs galaxies hôtes » déclare Suvi Gezari, chercheure associée du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM) en poste au Caltech et première auteure de l'article scientifique publié le 10 décembre 2006 dans l'Astrophysical Journal Letters.

© NASA/JPLCaltech

Les trous noirs sont des concentrations extrêmes de matière, dont la gravité est si forte que même la lumière ne peut s'en échapper. Les scientifiques pensent actuellement qu'un trou noir énorme, dit « supermassif » réside au coeur de chaque galaxie, certains étant jugés actifs, d'autres non et sont alors dits « dormants ». Les trous noirs actifs accrètent de la matière environnante, la portent à haute température, ce qui la rend très brillante, avant qu'elle ne disparaisse à jamais dans le trou noir et devienne invisible pour nous. Les trous noirs dormants, comme celui de notre galaxie, la Voie Lactée, n'émettent pratiquement jamais le moindre flash en temps ordinaire et sont donc difficiles à étudier, sauf dans les très rares moments où ils ingèrent une étoile : un événement tel que celui observé par le satellite GALEX ne se produit qu'une fois tous les 10.000 ans dans une galaxie « normale ».

« Pendant peut-être des milliers d'années, ce trou noir dont la masse est évaluée à des dizaines de millions de fois la masse du soleil est resté « dormant », invisible à nos instruments, au sein d'une galaxie elliptique anonyme dans la constellation du Bouvier située à 4 milliards d'années lumière de la Terre. Puis une étoile imprudente s'est aventurée un peu trop près de ce monstre somnolent et a été déchiquetée par la force de sa gravité », nous explique S.Gezari.

L'étoile s'est d'abord aplatie et étirée lorsque les effets de la gravité du trou noir ont commencé à se faire sentir, un phénomène qui se produit tous les jours à moindre échelle pour la Terre, quand la gravité de la Lune agite notre monde, faisant monter et baisser le niveau des océans. Toutefois, le destin de cette étoile est bien plus catastrophique : quand la gravité du trou noir surpasse celle de l'étoile, les effets de marée la disloquent - « L'étoile ne peut tout simplement plus rester assemblée et se brise en morceaux », dit Suvi Gezari - puis certains morceaux vont tourner en spirale autour du trou noir et y plonger générant un sursaut brillant de lumière ultraviolette que GALEX a pu détecter (voir figure ci-dessous).

© NASA/JPLCaltech

Sur cette vue d'artiste illustrant le phénomène, un trou noir supermassif au centre d'une galaxie distante est en train de « digérer » les restes d'une étoile disloquée. Le satellite NASA-CNES Galaxy Evolution Explorer bénéficiait d'un fauteuil d'orchestre pour cette frénésie gloutonne, utilisant ses yeux ultraviolets pour étudier le phénomène du début à la fin. La vue d'artiste déroule les chapitres de l'épopée d'une étoile réduite en morceaux et avalée par le géant cosmique (boule noire, en haut a droite). D'abord, l'étoile, semblable à notre soleil, s'aventure trop près du trou noir (à gauche), et sa propre gravité est submergée par celle du trou noir. L'étoile est alors distordue (tache jaune au centre), et finalement se brise en miettes stellaires, dont certaines tombent en spiralant dans le trou noir (anneau cotonneux bleuté à droite). Ces malheureux débris chauffent et émettent de la lumière, ultraviolette notamment, avant de disparaître pour toujours dans le trou noir. Le Galaxy Evolution Explorer a pu suivre les étapes de ce processus en enregistrant les changements de l'émission ultraviolette.

La zone immédiatement autour du trou noir apparaît distordue par l'effet de la gravité intense du trou noir qui agit comme une lentille, courbant le trajet de la lumière et déformant les images.

En effet, GALEX, grâce à ses « yeux ultraviolets » au concept optique très performant, a permis de saisir un sursaut ultraviolet dans cette galaxie lointaine, puis de mesurer sa décroissance à mesure de l'absorption des restes stellaires, permettant aux scientifiques d'observer pour la première fois ce phénomène en direct, alors qu'il avait été nécessaire d'attendre 10 ans après les faits pour obtenir la confirmation de tels événements détectés sur trois trous noirs dans les années 90.

« Nos observations sur la variation de lumière visible effectuées pendant deux ans à de multiples longueurs d'onde dans le cadre du Canada France Legacy Survey ont permis de suivre l'évolution du phénomène et ont joué un rôle critique pour écarter d'autres hypothèses exotiques qui auraient pu expliquer le sursaut d'émission ultraviolette » nous indique Stéphane Basa, chercheur au LAM et co-auteur de l'article.

En ce moment, GALEX continue à surveiller périodiquement, depuis son orbite, la décroissance de la lumière ultraviolette alors que le trou noir finit les dernières miettes de son dîner stellaire. « Toutes ces observations nous aideront à peser les trous noirs de l'Univers et à comprendre comment ils s'alimentent et grossissent dans leurs galaxies au cours de l'évolution de l'Univers », déclare Christopher Martin de Caltech, un des co-auteurs de l'article et l'expérimentateur principal de GALEX et Suvi Gezari ajoute, « maintenant que nous sommes sûrs que pouvons observer ces événements dans l'ultraviolet, nous disposons d'un nouvel outil pour étudier plus en profondeur ces mystérieux trous noirs ».

« En impliquant le LAM dans la préparation du programme spatial GALEX, nous avions bon espoir qu'un programme panoramique aussi large dans un nouveau domaine aurait un impact scientifiquebien au-delà de sa mission principale, l'étude de l'histoire de la formation des étoiles dans l'Univers. Ce nouveau résultat qui repose sur la capacité de GALEX à explorer le domaine temporel, est le premier d'une série utilisant les mesures ultraviolettes effectuées à différentes dates depuis trois ans sur plus de 30 millions d'objets célestes », nous confie Bruno Milliard, co-auteur de l'article et Directeur adjoint du LAM chargé du secteur spatial. «Et GALEX sera maintenu en service jusqu'en 2010 ... ».

Une mission internationale

Le California Institute of Technology à Pasadena, Californie, est chef de file de la mission GALEX ; à ce titre, il est responsable des opérations scientifiques et de l'analyse des données. Le Jet Propulsion Laboratory (NASA), également à Pasadena, a coordonné la construction de l'instrument scientifique et manage la mission.

Le concept optique a été conçu en France par le Laboratoire d'Astrophysique de Marseille, qui a également réalisé les optiques focales, en collaboration avec la Société Jobin-Yvon (Paris) et l'IOTA (Orsay), sous financement du Centre National d'Etudes Spatiales (CNES). La mission a été développée dans le cadre du Programme Explorer de la NASA géré par le Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland. La Dr. Suvi Gezari est financée par le CNES à Caltech dans le cadre du Volontariat International. Des équipes de chercheurs français financés par le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et coréens financés par l'Université de Yonsei en Corée du Sud, collaborent activement à l'interprétation des résultats.

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