Illustration de l’« évènement de rupture par effet de marée » qui s’est produit il y a 150 millions d’années dans la galaxie NGC 3690. Le trou noir supermassif a déchiqueté une étoile. Environ la moitié de sa matière s’est enroulée autour de l’horizon du trou noir et l’autre moitié est expulsée par les pôles. © Nrao, AUI, NSF, Nasa

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Une étoile déchiquetée par un trou noir observée en direct par Tess

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On observe des étoiles détruites par les forces de marée des trous noirs supermassifs depuis un certain temps. Tess, le chasseur d'exoplanètes, vient de fournir les observations les plus précoces concernant un tel évènement.

Ligo et Virgo ont détecté des ondes gravitationnelles provenant de la collision de trous noirs ou d'étoiles à neutrons dans des systèmes binaires. Il est possible qu'une collision entre un trou noir et une étoile à neutrons, événements plus rare que les précédents, ait été observée ce mois d'août 2019. Toutefois, les trous noirs intervenant dans ces catastrophes cosmiques ne sont que des trous noirs de masses stellaires. On s'attend un jour à détecter et à mesurer les ondes gravitationnelles générées par des collisions de trous noirs supermassifs ou quand ces monstres avalent un trou noir stellaire, une étoile à neutrons, voire une étoile de la séquence principale. Dans ce dernier cas de figure, faisant intervenir ces trous noirs contenant au moins un million de masses solaires, c'est surtout eLisa, l'interféromètre en orbite autour du Soleil -- lancé par l'Esa à l'horizon 2030 --, qui sera l'instrument tout indiqué pour faire de l'astronomie gravitationnelle.

Il n'y a toutefois pas besoin d'attendre une décennie pour étudier ce qui se produit lorsqu'un trou noir supermassif détruit, par ses forces de marée, une étoile qui s'est aventurée trop près de lui. Dans le domaine des ondes électromagnétiques, plusieurs de ces événements ont déjà été observés, notamment ceux qui s'accompagnent de la formation des fameuses crêpes stellaires de Jean-Pierre Luminet et Brandon Carter. On parle en général de Tidal disruption event (ou TDE), ce qui peut se traduire, pour ce genre de phénomène, par « évènement de rupture par effet de marée ».

Ils sont plutôt rares car on estime qu'il ne s'en produit qu'un tous les 10.000 à 100.000 ans à l'échelle des galaxies, alors que des supernovae classiques n'arrivent que tous les 100 ans environ dans la Voie lactée. On les remarque difficilement car la poussière de notre Galaxie peut les rendre invisibles à l'œil nu, ce qui explique pourquoi certains restes de supernovae qui se sont produits au cours des derniers siècle dans la Voie lactée n'ont été découverts qu'avec les instruments de l'astronomie moderne.

Une présentation du TDE désigné par ASASSN-19bt observé par Tess et Swift. 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 ». © Nasa Goddard

Un TDE observable par an avec Tess

L'un de ces TDE a été observé cette année 2019 et il s'ajoute à la liste de la quarantaine de TDE déjà connus. Dans le cas présent, le trou noir supermassif responsable de la mort d'une étoile, probablement de type solaire, était situé à environ 375 millions d'années-lumière en direction de la constellation du Poisson volant. 2MASX J07001137-6602251 lui-même doit contenir environ 6 millions de masses solaires. La nouveauté, comme l'explique l'article, disponible sur arXiv, provenant d'une équipe internationale d'astronomes, c'est que le TDE désigné par ASASSN-19bt a été observé de façon précoce et surtout par un instrument initialement destiné à chasser les exoplanètes : Tess.

Initialement, comme son nom l'indique, ASASSN-19bt (les deux derniers chiffres indiquent l'année, puis les lettres l'ordre des découvertes) a été détecté le 29 janvier 2019 dans le cadre du All Sky Automated Survey for SuperNovae (en français « Relevé automatisé sur tout le ciel de supernovae »), en abrégé ASAS-SN (prononcé « assassin »). Équipé de télescopes robotiques dans les deux hémisphères, nord et sud, il chasse de nouvelles supernovae en couvrant toute la voûte céleste tous les deux jours.

Une batterie d'instruments -- notamment ceux observant dans le domaine des rayons X et ultraviolet à bord des satellites Swift de la Nasa et XMM Newton de l'Esa -- a rapidement été mobilisée pour suivre l'évolution du phénomène qui semblait tout d'abord être une supernova classique. Mais il fut tout aussi rapidement clair que ce n'était pas le cas. Les astronomes ont aussi eu l'idée de chercher dans les archives des observations de Tess (Transiting Exoplanet Survey Satellite) des données supplémentaires car ASASSN-19bt se trouvait dans la part de la voûte céleste observée en continu par le chasseur d'exoplanètes.

Il s'est avéré qu'un début de courbe de lumière correspondant à ASASSN-19bt avait bel et bien été déjà observé par Tess, montrant qu'un TDE avait commencé à se produire le 21 janvier 2019, avec une montée en luminosité particulièrement lisse en ce qui concerne la courbe de lumière, ce qui ne collait pas avec une supernova classique ou une simple éruption dans le disque d'accrétion d'un trou noir au cœur d'une galaxie. Ce n'est qu'environ une semaine plus tard que la luminosité a atteint un niveau suffisant pour être détectable par le programme ASAS-SN.

Finalement, les observations obtenues avec les divers télescopes mobilisés sont les plus précises et les plus précoces à ce jour concernant le début d'un TDE. En ce qui concerne Tess, la découverte est remarquable car on s'attendait effectivement à ce qu'il en voit un à deux lors de sa mission initiale de deux ans.

  • Les instruments modernes permettent de détecter et d'observer des événements rares dont la description théorique a notamment été faite par Jean-Pierre Luminet et Brandon Carter : les Tidal disruption event (ou TDE) que l'on peut traduire en français par « évènement de rupture par effet de marée ».
  • Il s'agit d'étoiles qui se sont approchées trop près d'un trou noir supermassif et qui ont été détruites par les forces de marée.
  • Une quarantaine de TDE ont été observés à ce jour, dont le dernier de façon précoce avec le chasseur d'exoplanète Tess.
Pour en savoir plus

Rare observation d’un trou noir supermassif détruisant une étoile

Article de Xavier Demeersman publié le 21/06/2018

Des astronomes ont pu voir pour la première fois les jets de matière jaillir d'un trou noir supermassif après que celui-ci ait littéralement déchiqueté une étoile qui ne pouvait plus résister à sa puissante force de gravité. Les chercheurs ont commencé à l'observer en 2005 mais cela s'est produit en réalité il y a quelque 150 millions d'années.

« Jamais auparavant nous n'avons été capables d'observer directement la formation et l'évolution d'un jet d'un de ces évènements », raconte Miguel Perez-Torres, de l'Institut d'astrophysique d'Andalousie et coauteur de l'étude qui vient de paraître dans la revue Science.

C'est au cœur de NGC 3690, l'une des deux galaxies du duo Arp 299 - deux galaxies qui s'entremêlent à 150 millions d'années-lumière de chez nous - que cela s'est passé, plus exactement autour de son trou noir supermassif de 20 millions de fois la masse du Soleil.

Tout commence en 2005, quand l'attention d'un groupe d'astronomes qui recherchaient des supernovæ au sein de galaxies en collision - donc en pleine effervescence et prospères en nouvelles étoiles - a été attirée par les émissions infrarouges et radio provenant du centre de NGC 3690. La signature était raccord avec celle d'une supernova. « Une de plus » dans la très prolixe Arp 299 qui était alors surnommée l'« usine de supernova », ont alors sans doute pensé les astronomes. Mais quelques années plus tard, les émissions radio de l'évènement se poursuivaient toujours avec une grande intensité. En réalité, « au fil du temps, le nouvel objet est resté lumineux aux longueurs d'onde infrarouge et radio mais pas dans la lumière visible et les rayons X, précise Seppo Mattila, de l'université de Turku (Finlande), qui a participé aux recherches. L'explication la plus probable est que le gaz interstellaire épais et la poussière près du centre de la galaxie ont absorbé les rayons X et la lumière visible puis l'ont rayonnée en infrarouge ».

En outre, en 2011, les observations ont montré un allongement dans une direction qui continuait de croître. Bref, pour les chercheurs, il n'y avait plus qu'une explication possible, prédite par les théoriciens : le trou noir était en train de dévorer une étoile.

Une vue composite de la formation Arp 299, deux galaxies en train de fusionner. Le télescope spatial Chandra y a décelé 25 puissantes sources de rayonnement X dont 14 s’avèrent être des sources X ultralumineuses (Ultraluminous X-ray source ou ULXs), localisées dans les régions de formation d’étoiles. © Nasa, CXC, University of Crete, K. Anastasopoulou et al, NuSTAR, GSFC, A. Ptak et al, STScI

La victime du trou noir : une étoile deux fois plus massive que le Soleil

C'est ce que les chercheurs appellent un Tidal disruption event (ou TDE), que l'on peut traduire en français par « évènement de rupture par effet de marée ». Dans leur étude, les auteurs (36 scientifiques issus de 26 institutions différentes à travers le monde) ont déduit que la victime était une étoile au moins deux fois plus massive que notre Soleil. Pas de chance, pour elle..., passée trop près du gargantua, elle s'est fait happer. Après que les forces de marée l'aient brisé, l'étoile en lambeaux s'est fait vider de son sang... Une partie de la matière s'est enroulée autour de la gueule béante du monstre avant de disparaître dedans et une autre a été concentrée dans des jets expulsés à environ un quart de la vitesse de la lumière. Sidérant ! On a peine à imaginer la violence de l'évènement. L'énergie émise équivaut à plus de 100 fois celle qu'aura dispensé le Soleil au cours de toute sa vie (environ 10 milliards d'années, pour rappel) !

De tels évènements se sont déjà produits au cœur de notre Galaxie, la Voie lactée. Mais il y a longtemps. Personne n'a pu les observer. Et ces derniers temps, Sagittarius A*, notre trou noir supermassif de quelque quatre millions de masses solaires, a un peu moins d'appétit et il peut sembler paresseux. Pour l'instant... En fait, « la plupart du temps, les trous noirs supermassifs ne dévorent pas quoi que ce soit activement, ils sont dans un état de calme, ​​rappelle Miguel Perez-Torres, ajoutant que les évènements de rupture par effet de marée peuvent nous fournir une opportunité unique de faire progresser notre compréhension de la formation et l'évolution des jets dans les environs de ces objets puissants ».


Un trou noir supermassif engloutit une étoile en direct

Article de Xavier Demeersman publié le 4 décembre 2015

Une équipe internationale a observé une étoile comparable au Soleil en train d'être déchiquetée et engloutie par un trou noir supermassif tapi au sein d'une galaxie relativement proche. Les chercheurs ont eu la chance, pour la première fois, d'obtenir un portrait multi-longueurs d'onde d'un semblable événement et ont pu observer les jets de plasma formés lorsque l'étoile s'est brisée.

Observer un trou noir supermassif en train d'engloutir une étoile est rarissime. En effet, les astrophysiciens qui recherchent activement ce phénomène afin de mieux comprendre les différentes étapes du processus de démembrement d'une étoile par les forces de marée et de ce qui s'ensuit ne furent témoins que de seulement une vingtaine d'événements de ce type. Étant tous très distants (au moins un milliard d'années-lumière), leur étude n'en demeurait pas moins difficile. Nous avons bien un trou noir de cette catégorie beaucoup plus proche de nous, Sagittarius A* (environ 4 millions de masses solaires), tapi au centre de notre galaxie, mais il est d'humeur assez calme, se contentant çà et là de quelques encas d'astéroïdes ou de nuages de gaz. Aussi va-t-il encore falloir attendre un peu avant qu'il ne passe à table...

Voici un an, la chance a toutefois souri à des chercheurs lorsqu'ils découvrirent un candidat au centre d'une galaxie située à seulement 300 millions d'années-lumière de la Terre, soit trois fois plus près que les autres. Avec une masse estimée à un million de fois celle du Soleil, il fait certes pâle figure à côté des super poids lourds connus (certains affichent plus de 10 milliards de masses solaires voire 17 milliards !), mais cela n'a rien enlevé de son attrait, si l'on peut dire, étant donné ce qu'il s'y est produit.

À gauche, illustration d’une étoile spiralant vers un trou noir supermassif. Les forces de marée de ce dernier l’étirent jusqu’à l’effilocher et l’enrouler autour de l’horizon des événements. À droite, un jet de plasma se forme à partir d’une partie des débris de l’astre. © Amadeo Bachar, ICRAR

Les jets de plasma observés pour la première fois

L'équipe internationale conduite par le jeune astrophysicien Sjoert van Velzen fut très heureuse de suivre durant plusieurs mois le comportement d'un trou noir supermassif, aussi petit soit-il, en train de tirer sur une étoile d'une masse comparable à notre Soleil et de l'aspirer. Surtout, pour eux, ce fut une occasion unique de voir les jets de plasma qui se forment après que l'étoile est démembrée par les forces de marée comme cela est prédit.

« Ces événements sont extrêmement rares, a commenté l'auteur principal de l'article qui décrit les phénomènes observés dans ScienceC'est la première fois que nous voyons tout de la destruction stellaire suivie du lancement d'une éjection conique, aussi appelée jets ». Les autres fois, indique le professeur à l'université Johns Hopkins, « nous sommes arrivés à la fin de la partie ».

La première manifestation de ce trou noir fut détectée en décembre 2014 par une équipe de l'université de l'Ohio avec le All-sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN que les astronomes surnomment aussi « assassin ») qui recherchait des supernovae. Après en avoir eu vent, Sjoert van Velzen et son équipe ont observé l'objet trois semaines plus tard dans le domaine radio avec le Arcminute Microkelvin Imager (AMI) près de Cambridge, dans l'espoir notamment de surprendre ces fameux jets de plasma, accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière. Au même moment, les chercheurs avec qui il s'est associé ont collecté des données complémentaires issues de plusieurs observatoires si bien que l'équipe a pu constituer un portrait « multi-longueurs d'onde » inédit. Ils ont appris que l'énergie des jets est équivalente à celle émise par notre étoile durant 10 millions d'années. Les processus sont encore mal compris, mais ces observations contribuent à l'élaboration d'une théorie complète de ces événements.

« Espérons que la sensibilité accrue des futurs télescopes comme le Square Kilometre Array sera en mesure de détecter des jets d'autres trous noirs supermassifs de ce type et de même en découvrir plus sur eux » a déclaré la coauteure de cette étude Gemma Anderson (Curtin University) dans le communiqué de l'ICRAR (International Centre for Radio Astronomy Research).

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