Cette vue d'artiste montre un disque d'accrétion autour d'un trou noir supermassif dans lequel se trouve une naine blanche brillant dans le domaine des rayons X. © Nasa/CXC/M. Weiss
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Une étoile géante rouge a survécu à un trou noir en devenant naine blanche

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L'observation des émissions de rayons X par les trous noirs permet bien souvent de découvrir ce qu'il se passe dans leur voisinage. Celles associées au trou noir supermassif de la galaxie GSN 069 sont remarquablement quasi-périodiques, ce qui suggère la présence d'une naine blanche, reste d'une géante rouge, qui survit aux forces de marée du trou noir.

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Avec la détection sur Terre des ondes gravitationnelles, les observations de l'Event Horizon Telescope et celles de la mission Planck, l'astrophysique et la cosmologie relativiste sont plus importantes que jamais pour décrire notre univers observable. C'est une belle revanche des pionniers du début des années 1960, tel Kip Thorne, qui ont dû aller à contrecourant du paradigme de l'époque, reléguant les étoiles relativistes solutions des équations de la relativité générale et les univers en expansion de type Big Bang comme de simples curiosités mathématiques, sans véritable signification physique, surtout lorsqu'il s'agissait de prendre au sérieux ce que nous appelons des trous noirs.

Presque 60 ans plus tard, les choses ont bien changé et aujourd'hui, les études sur les trous noirs supermassifs au cœur des galaxies sont courantes depuis déjà quelques décennies grâce à l'essor de l'astronomie X avec des instruments dans l'espace comme Chandra et XMM Newton, respectivement de la Nasa et de l'ESA, rejoints récemment par Spektr-RG, le Hubble des rayons X russe de Pockocmoc.

Les yeux dont s'est doté l'humanité permettent notamment de mettre en évidence et d'étudier un scénario examiné en mars 1982 par Jean-Pierre Luminet et Brandon Carter dans un article publié dans le journal Nature. Ils y montraient qu'une étoile pénétrant dans la zone définie par le rayon de marée d'un trou noir supermassif devait d'abord être aplatie comme une crêpe par les forces de marée, puis dans un second temps, du fait de ces forces, être le lieu de l'allumage de réactions thermonucléaires tellement violentes qu'elles conduisaient à une détonation capable de disloquer l'étoile.

Présenté par Hubert Reeves et Jean-Pierre Luminet, Du Big bang au vivant est un projet TV-Web-cinéma qui couvre les plus récentes découvertes dans le domaine de la cosmologie. © Dubigbangauvivant, YouTube

Des flashs quasi périodiques de rayons X dans un disque d'accrétion

Il semble toutefois que ce scénario, déjà observé, ne s'applique pas toujours si l'on en croit une publication d'Andrew King de l'université de Leicester au Royaume-Uni. Le chercheur y explique en effet, dans l'article à consulter sur arXiv, qu'une étoile, en orbite autour du trou noir super massif au cœur de la galaxie GSN 069, a échappé au destin qui aurait dû la transformer en crêpe stellaire juste avant de mourir.

Cela fait déjà quelque temps que les astrophysiciens avaient repéré des flashs quasi-périodiques de rayons X toutes les 9 heures environ au centre de GSN 069 avec le satellite XMM Newton. Cette galaxie est située à environ 250 millions d'années-lumière de la Voie lactée et on a de bonnes raisons de penser que ces flashs qui voient les émissions de rayons X multipliées par 100 se produisent à proximité d'un trou noir supermassif léger de seulement 400.000 masses solaires, pas loin de la limite qui en ferait un trou noir de masse intermédiaire -- rappelons que le trou noir supermassif de notre Galaxie contient 4 millions de masses solaires.

Voici les variations quasi-périodiques des émissions en rayon X de la galaxie GSN 069 observées par XMM Newton.© G. Miniutti and M. Giustini - Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA), Madrid, Spain

Les observations de XMM Newton ont été confirmées par Chandra et selon Andrew King ; une bonne façon de les interpréter serait la suivante. Au départ, une étoile en phase géante rouge se serait approchée si près du trou noir géant de GSN 069 que les forces de marée qu'elle a commencées à subir sont devenues capables de lui arracher de la matière de ses couches supérieures dilatées. L'étoile étant sur une orbite particulièrement elliptique, c'est au moment où elle est au plus proche de l'astre compact que ce phénomène se produirait.

Il aurait finalement mis à nu le cœur de la géante rouge qui est dans un état où la matière est devenue « dégénérée », comme on dit en physique quantique, c'est-à-dire que ce qui reste de l'étoile est tout simplement une naine blanche. Le transfert de masse continuerait toutes les 9 heures environ et il se produirait dans le disque d'accrétion entourant le trou noir super massif, toutes les fois que la naine blanche est au plus près, mais pas encore à moins 15 fois le rayon de l'horizon des événements du trou noir selon les estimations d'Andrew King. Au-delà, le trou noir avalerait l'étoile.

C'est à l'occasion de ce transfert de matière périodique dans le disque d'accrétion que les flashs de lumière X seraient produits.

Une présentation de la découverte faite avec le trou noir de GSN 069. 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

Une population cachée d'étoiles autour des trous noirs supermassifs ?

Cette situation va se prolonger mais, sous l'effet des ondes gravitationnelles émises par la naine blanche et du fait de ses pertes de masses, son orbite va tendre à se circulariser tout en augmentant de rayon, de sorte que les pertes de masses de l'étoile vont aller en diminuant (la naine blanche contiendrait actuellement 0,21 masse solaire).

« Elle s'efforcera de s'échapper, mais il n'y a pas d'échappatoire. Le trou noir la mangera de plus en plus lentement, mais ne s'arrêtera jamais », précise King, tout en ajoutant qu'« en principe, cette perte de masse se poursuivra jusqu'à ce que et même après que la naine blanche ait vu sa masse diminuer jusqu'à atteindre celle de Jupiter, dans environ un milliard d'années. Ce serait un moyen remarquablement lent et alambiqué pour que l'univers fasse une planète ! ». En effet, en se refroidissant, une naine blanche cristallise.

Pour le chercheur, les flashs de rayons X ne sont suffisamment intenses pour pouvoir être détectés par nos instruments que pendant une période d'environ 2.000 ans. C'est très court à l'échelle de temps du cosmos, de sorte que pour avoir eu la chance de le surprendre, ce type de scénario doit être très fréquent autour des trous noirs supermassifs.

Andrew King estime enfin que l'étoile est suffisamment proche pour qu'un effet de précession de Schwarzschild se produise, effet que l'on pourra peut-être observé dans un futur proche si son scénario est correct.

Un diagramme montrant une orbite presque complète de la naine blanche autour du trou noirGSN 069 au centre de la figure. La naine blanche est représentée en bleu. Si elle était dessinée à l'échelle, la naine blanche serait trop petite pour être vue. Le trou noir est entouré d'un disque de matière (représenté en orange et rouge). Chaque fois que la naine blanche s'approche du trou noir, du gaz est transféré de l'étoile dans le disque, provoquant les flashs de rayons X observés par Chandra et XMM-Newton. Un effet de la relativité générale provoque une précession. © Nasa/CXC/M.Weiss
  • L'observation des émissions de rayons X permet non seulement de mettre en évidence des trous noirs mais aussi de découvrir ce qu'il se passe dans leur voisinage.
  • Celles associées au trou noir supermassif de la galaxie GSN 069 sont remarquablement quasi-périodiques, ce qui suggère la présence d'une naine blanche, reste d'une géante rouge, qui survit aux forces de marée du trou noir et n'a donc pas subi le scénario fatal des crêpes stellaires.
  • Sur une orbite très elliptique, l'étoile passerait suffisamment près du trou noir toutes les 9 heures pour que ses couches de matière soient arrachées par ces forces, ce qui a fini par mettre à nu le cœur de la géante rouge sous la forme d'une naine blanche.
  • C'est en tombant dans le disque d'accrétion autour du trou noir que la matière arrachée y provoque des flashs de rayons X.
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