Une vue d'artiste d'un trou noir stellaire avec le disque d'accrétion qu'il arrache avec ses forces de marée à une étoile compagne. Une partie de la matière accrétée ne traverse pas l'horizon des événements et est éjectée sous forme de jets. © Nasa, CXC, M. Weiss
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Ce trou noir pas comme les autres interroge les astronomes

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MAXI J1820+070 est un trou noir stellaire dans la Voie lactée dont on peut inférer l'existence parce qu'il émet copieusement des rayons X en accrétant de la matière. Il a été observé à plusieurs reprises par Chandra à ces longueurs d'onde, mais aujourd'hui des observations dans le visible montrent qu'il n'accrète pas de la matière comme les autres trous noirs de ce genre et plus précisément que son axe de rotation n'est absolument pas perpendiculaire à son disque d'accrétion. C'est pour le moment une énigme remettant en question les modèles de formation des trous noirs stellaires.

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Le système binaire MAXI J1820+070 n'est pas un inconnu sur le devant de la scène médiatique concernant les découvertes sur les trous noirs. Futura a consacré plusieurs articles à son sujet dont le précédent ci-dessous. On le connaît notamment à cause de ses émissions dans le domaine des rayons X car il accrète de la matière de son étoile compagne.

Il existe toute une théorie de l’accrétion de la matière par un trou noir stellaire, c'est-à-dire un astre compact résultant de l'effondrement gravitationnel d'une étoile massive et qui possède un horizon des événements clos, fonctionnant comme une membrane que l'on ne peut traverser que dans un seul sens. Pour sortir de la région définie par cette membrane, qui n'a pas de réalité matérielle, il faudrait en effet dépasser la vitesse de la lumière.

Au début des années 1970, deux astrophysiciens russes, Nikolai Shakura et Rashid Sunyaev, ont posé les bases de cette théorie de l'accrétion. Le gaz formant un disque autour d'un trou noir est visqueux. Ainsi, en tombant en spirale vers le trou noir, les anneaux de matière contigus formant le disque se frottent les uns aux autres, ce qui transforme l'énergie gravitationnelle d'accrétion en chaleur chauffant le gaz au point de l'ioniser. Les températures deviennent si élevées que le disque se met à émettre des rayons X avec un spectre et des propriétés bien caractéristiques, ce qui permet d'ailleurs d'identifier un trou noir stellaire.

De gauche à droite, Nikolay Shakura et Rashid Sunyaev. © MPA

Un tel objet ne rayonne pas, pas même selon le processus découvert par Stephen Hawking, en l'absence de l'accrétion de matière. En effet, le rayonnement Hawking est inversement proportionnel à la masse d'un trou noir et pour ceux d'origine stellaire au moins, cela implique une température bien plus basse que celle du rayonnement fossile, de sorte qu'il l'absorbe pour les mêmes raisons que la chaleur passe d'un corps chaud à un corps froid lorsque des échanges de travail n'interviennent pas dans un système thermodynamique (ce qui n'est pas le cas d'un réfrigérateur).

Des jets mystérieusement inclinés par rapport au disque d'accrétion

Un trou noir accrétant de la matière et en rotation peut aussi émettre des jets de matière, matière issue de son disque d'accrétion uniquement et pas du trou noir lui-même. Or, il se trouve qu'en étudiant les caractéristiques des jets et surtout des rayonnements du disque d'accrétion, qui n'est pas limité aux rayons X, il est possible d'avoir des renseignements sur la masse du trou noir, son moment cinétique de rotation ainsi que sur celui de son disque d'accrétion.

Et c'est là qu'une équipe internationale d'astrophysiciens menée par leurs collègues de l'université de Turku, en Finlande, est tombée sur une découverte étonnante et paradoxale concernant MAXI J1820+070, comme cela est expliqué dans un article publié dans Science et dont une version est en accès libre sur arXiv.

Vue d'artiste du système binaire à rayons X MAXI J1820+070 contenant un trou noir (petit point noir au centre du disque gazeux) et une étoile compagne. Un jet étroit est dirigé le long de l'axe de rotation du trou noir, qui est fortement désaligné par rapport à l'axe de rotation de l'orbite. © R. Hynes

En analysant la polarisation dans le visible du rayonnement de MAXI J1820+070 avec l'instrument DIPol-UF équipant le Nordic Optical Telescope situé à l'observatoire du Roque de los Muchachos, La Palma dans les îles Canaries, les chercheurs sont arrivés à la conclusion que l'axe de rotation du trou noir du système binaire était incliné de 40° par rapport à l'axe perpendiculaire au plan du disque d'accrétion, comme le montre la vidéo ci-dessus.

Les astrophysiciens n'en comprennent pas la raison car d'ordinaire, les lois de la mécanique céleste tendent plutôt à produire des trous noirs stellaires dont l'axe de rotation, selon lequel les jets sont aussi émis, est quasi perpendiculaire au plan du disque d'accrétion.

On peut suspecter que les conditions de formation du trou noir stellaire n'étaient pas celles que l'on attribue d'ordinaire à la naissance d'un tel système. Il faudrait savoir à quel point ce système est une exception... ou pas, car si tel n'est pas le cas, les estimations des masses et des moments cinétiques des trous noirs stellaires, tirées de l'observation des systèmes binaires X de ce genre, doivent être biaisées vu qu'on suppose que les axes des trous noirs et des disques d'accrétion sont quasi parallèles.

  • MAXI J1820+070 est une source de rayons X, formée d'un trou noir accrétant de la matière d'une étoile dans un système binaire situé à environ 10.000 années-lumière du Soleil dans la Voie lactée.
  • Observé de 2018 à 2019 avec Chandra mais aussi dans le domaine des ondes radio avec le VLA, ce trou noir est aussi la source d'une émission de jets de matière allant à plus de 80 % de la vitesse de la lumière mais ne la dépassant pas malgré une illusion d'optique faisant croire le contraire.
  • Un time-lapse de l'éruption montrant l'émission et la propagation des jets a été réalisé avec les images de Chandra.
Pour en savoir plus

L'éruption d'un trou noir stellaire filmée par Chandra

Article de Laurent Sacco publié le 03/06/2020

MAXI J1820+070 est un trou noir stellaire dans la Voie lactée dont on peut inférer l'existence parce qu'il émet copieusement des rayons X en accrétant de la matière. Il a été observé à plusieurs reprises par Chandra à ces longueurs d'ondes ; les images prises par ce satellite de la Nasa permettent maintenant de voir un time-lapse d'une éruption s'accompagnant de l'émission de jets de matière faussement transluminiques.

La collaboration Event Horizon Telescope nous a déjà émerveillés en dévoilant la première image d’un trou noir, en l'occurrence M87*. Ses membres nous laissent espérer que l'on aura bientôt une image similaire montrant Sgr A* qui lui est situé au cœur de notre Voie lactée. Mieux, des films de l'activité autour du trou noir supermassif de notre Galaxie seraient possibles.

En attendant, le satellite Chandra de la Nasa nous a déjà livré en rayons X des images montrant cette activité dans le cas d'un trou noir stellaire situé à seulement 10.000 années-lumière du Système solaire. Ce n'est pas un inconnu et il a déjà fait parlé de lui car il s'agit de l'astre compact et source de rayons X dénommé MAXI J1820+070. Avec ses 8 masses solaires, il arrache par son champ de gravité de la matière à son étoile compagne contenant environ une demi-masse solaire. Il est donc entouré d'un disque d'accrétion. Des processus magnétohydrodynamique complexes associés à l'espace-temps courbe d'un trou noir de Kerr en rotation et au plasma généré dans ce disque le conduisent à émettre des jets de matière. Des instabilités associées à l'accrétion y sont également la cause de flashs intermittents d'ondes électromagnétiques.

Une équipe d'astrophysiciens menés par Mathilde Espinasse, de l'Université de Paris, a en effet étudié MAXI J1820+070 au cours de quatre campagnes d'observations en novembre 2018 puis, février, mai et juin 2019. Les images obtenues et leurs analyses font l'objet d'un article publié dans The Astrophysical Journal Letters mais que l'on peut également consulter librement sur arXiv.

Une présentation de l'activité du trou noir étudié avec Chandra. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Chandra X-ray Observatory

Des jets de trous noirs faussement transluminiques

Les chercheurs en ont fait une sorte de time-lapse montrant des éjections de paquets de particules dans deux jets diamétralement opposés. Ces jets donnent lieu à l'existence d'une illusion d'optique bien connue depuis des décennies avec notamment les quasars. Une analyse naïve des observations laisse en effet initialement penser que l'on observe parfois des particules dans ces jets qui vont à des vitesses supraluminiques donc qui semblent aller plus vite que la lumière. Les jets du trou noir supermassifs M87* sont d'ailleurs un bon exemple de ce phénomène qui ne viole pas en réalité la théorie de la relativité restreinte puisque les particules vont en fait moins vite que la lumière.

En arrière plan, on voit une image obtenue dans le visible et l'infrarouge de la galaxie de la Voie lactée prise avec le télescope PanSTARRS à Hawaï. L'emplacement de MAXI J1820 + 070 est indiqué au-dessus du plan de la galaxie par une croix. L'encart montre un film qui fait défiler les quatre observations de Chandra, où « jour 0 » correspond à la première observation le 13 novembre 2018, environ quatre mois après le lancement d'un jet de matière. MAXI J1820 + 070 est la source de rayons X brillante au milieu de l'image et des sources de rayons X peuvent être vues s'éloigner du trou noir avec en haut un jet vers le nord et en bas un autre vers le sud. MAXI J1820 + 070 est normalement une source ponctuelle de rayons X, mais elle semble être plus grande qu'une source ponctuelle car elle est beaucoup plus lumineuses que les sources dans les jets. Le jet sud est trop faible pour être détecté dans les observations de mai et juin 2019. © rayons X NASA / CXC / Université de Paris / M. Espinasse et al. ; visible / infrarouge : PanSTARRS

L'illusion de vitesses transluminiques se produit lorsque les jets d'un trou noir sont presque parallèles à la direction d'observation depuis la Terre. Dans le cas des images prises par Chandra, le jet émis au pôle sud de MAXI J1820 + 070 se rapproche de nous alors que celui émis au pôle nord s'éloigne. On a alors l'impression que le premier traduit des vitesses de l'ordre de 60 % de la vitesse de la lumière pour la matière alors que le second jet semble formé de particules se déplaçant à 160 % de la vitesse de la lumière. La vitesse réelle des particules dans les deux jets est en réalité supérieure à 80 % de la vitesse de la lumière mais lui reste inférieure.

Un trou noir laboratoire pour comprendre les jets relativistes

De plus amples précisions sur ces jets ont été obtenues en étudiant MAXI J1820 + 070 dans le domaine des ondes radios avec en particulier le célèbre Karl G. Jansky Very Large Array (le « Très grand réseau Karl-G.-Jansky ») ou VLA, un réseau de radiotélescopes permettant de faire de la synthèse d'ouverture, comme si on disposait d'un seul instrument de très grande taille. C'est d'ailleurs avec le VLA qu'avaient initialement été mis en évidence des mouvements supraluminiques apparents avec MAXI J1820 + 070.

Les données fournies ont permis aux astrophysiciens d'estimer à mille comètes de Halley, ou environ 500 millions de fois la masse de l'Empire State Building, la quantité de matière éjectée par le trou noir en quelques heures en 2018 et que l'on retrouve finalement dans les jets observés.

La matière dans les jets s'est ensuite ralentie en pénétrant dans le milieu interstellaire après avoir créé l'équivalent des ondes de chocs d'un avion supersonique. La combinaisons des données dans le domaine radio et X va permettre aux astrophysiciens relativistes de mieux comprendre les jets des trous noirs et indirectement leurs effets sur l'évolution des galaxies quand ils sont produits par des trous noirs supermassifs.

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