Cette image en lumière visible de la galaxie Fireworks (NGC 6946) provient du Digital Sky Survey et est superposée aux données de l'observatoire Nustar de la Nasa en fausses couleurs (en bleu et vert). ULX4 est visible en vert. © Nasa, JPL-Caltech

Sciences

Un trou noir avalant une naine brune derrière le mystérieux flash X détecté ?

ActualitéClassé sous :trou noir , Etoile à Neutrons , rayons X durs

Les sources X ultralumineuses sont des astres rares exceptionnellement brillants dans le domaine des rayons X. Plusieurs hypothèses ont été proposées à leur sujet mais l'une de ces sources récemment détectée dans la galaxie NGC 6946 est plus énigmatique que les autres.

L'essor de l'astronomie X date de 50 ans environ, notamment avec le lancement par la Nasa de satellites tels que Uhuru en 1970 et Einstein en novembre 1978. Ce dernier était le premier à pouvoir former de vraies images des sources en rayons X et il a permis de découvrir quelques années plus tard celles qui furent appelées des sources X ultralumineuses (Ultraluminous X-ray source ou ULX, en anglais).

Les astrophysiciens ont bien sûr rapidement cherché à savoir ce qui se cachait derrière les ULX. Comme ils ont remarqué qu'elles sont situées dans les parties externes des galaxies, loin des trous noirs supermassifs, elles ne devaient donc pas être le produit de ces ogres cosmiques à l'origine des quasars, des phénomènes également spectaculairement lumineux. D'ailleurs, bien que les ULX soient plus brillantes que toutes les sources X associées à des étoiles, comme des supernovae, elles l'étaient tout de même moins que ces noyaux actifs de galaxies.

Une présentation de l'histoire de l'astronomie X. 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 ». © University of California Television (UCTV)

Par contre, il était possible d'envisager qu'elles résultaient de l'accrétion de matière par des trous noirs intermédiaires, donc des astres dont les masses sont comprises entre 100 et 100.000 masses solaires environ. Cette hypothèse n'est pas sans poser quelques problèmes et c'est pourquoi d'autres ont été proposées au cours des années, alors que divers instruments étaient placés en orbite pour tourner leur regard X vers le cosmos, comme Chandra, NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) et plus récemment, le télescope russe Spektr-RG (SRG).

Une accrétion supercritique à l'origine des ULX ?

Il s'agissait toujours de faire intervenir des mécanismes d'accrétion de la matière sur un astre compact mais soit sur des trous noirs stellaires, soit sur des étoiles à neutrons. Dans tous les cas, l'accrétion sur ces objets est particulièrement efficace pour produire du rayonnement. Ainsi, pour une même masse d'hydrogène, l'énergie pouvant être extraite par accrétion de cette masse sur un trou noir ou une étoile à neutrons est bien plus grande que sa conversion en hélium par fusion au cœur des étoiles, avec un taux des dizaines de fois plus important.

Rappelons que les premiers travaux sur l'accrétion de gaz par un astre sont ceux de Hoyle et Littleton en 1939 puis, de Hoyle et Bondi en 1944. Salpeter a étudié cette question dans le cas des trous noirs en 1964 mais il a fallu attendre 1969 pour qu'un premier modèle de disque d'accrétion soit construit autour d'un tel astre relativiste par Lynden-Bell. Novikov, Page et le prix Nobel de physique Kip Thorne ont ensuite construit des modèles plus précis dans le cadre de la relativité générale au début des années 1970.

Les ULX pourraient résulter de processus dits d'accrétion supercritique générant une luminosité qualifiée de super-Eddington. La théorie de cette accrétion exotique a été établie dans les années 1980 par des chercheurs polonais et français comme Abramowicz et Lasota. La luminosité particulière qu'elle fait intervenir tire son nom du grand astrophysicien Arthur Eddington, bien connu pour ses travaux de pionnier sur la relativité générale. Il avait découvert en 1921 qu'il existait une limite maximale à la luminosité d'une étoile de masse donnée, la désormais célèbre limite d'Eddington.

Une vue d'artiste d'un trou noir accrétant de la matière arrachée à une étoile compagne. Des instabilités dans le disque d'accrétion conduisent à des flashs de rayonnement alors que des jets de matière sont produits (ces jets ne sortent pas du trou noir). © University of Southampton

Elle doit son existence au fait que le rayonnement peut exercer une pression sur la matière. Si cette pression est suffisamment importante, elle peut contrecarrer son effondrement gravitationnel. C'est précisément ce qui se passe avec les étoiles lorsqu'elles sont stables. Mais si le rayonnement est trop intense, il peut vaincre la force d'attraction et souffler l'étoile. C'est le seuil de ce processus qui définit la limite d'Eddington.

Plus généralement, la pression limitant l'accrétion, elle limite aussi la production d'énergie et donc la luminosité en résultant. On peut donc également trouver une limite d'Eddington pour la luminosité d'un astre en train d'accréter de la matière. Cette limite est d'autant plus importante que la masse de l'objet accrétant est élevée. La limite d'accrétion d'Eddington concerne initialement le cas où l'effondrement de la matière vers l'astre central est à symétrie sphérique. Lorsque l'accrétion forme un disque autour d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons, cette symétrie est brisée, ce qui autorise justement l'accrétion supercritique permettant transitoirement une violation de la limite d'Eddington ordinaire.

Une naine brune détruite par un trou noir ?

Malgré tout, nous ne sommes sûrs de rien en ce qui concerne les ULX et les études se poursuivent à leur sujet, notamment en observant la galaxie spirale NGC 6946. Elle est située à une distance d'environ 25 millions d'années-lumière de la Voie lactée et elle a attiré l'attention des astrophysiciens depuis un certain temps car elle est « fréquemment » le siège de supernovae (dix ayant été observées depuis 1917) d'où son surnom de galaxie du feu d'artifice.

Comme l'explique un article publié dans The Astrophysical Journal -- en accès libre sur arXiv --, parmi les quatre ULX récemment détectées dans NGC 6946, quelques unes s'expliquent bien avec l'hypothèse que l'on est en présence d'astres compacts de faibles masses produisant une accrétion supercritique mais ULX4 est un peu énigmatique.

Observée successivement par le satellite Chandra et NuSTAR, puis de nouveau Chandra, à chaque fois à 10 jours d'intervalle en 2017, ULX4 s'est allumée et éteinte sur une période de temps anormalement courte pour une ULX.

On pourrait avoir été en présence d'un trou noir de masse stellaire détruisant brutalement une petite étoile, voire une naine brune, et consommant ses restes un peu à la façon du modèle des crêpes stellaires développé notamment par Jean-Pierre Luminet, concernant la destruction d'une étoile par un trou noir supermassif.

Autre possibilité, une étoile à neutrons avec un important champ magnétique bloquant le processus d'accrétion supercritique d'ordinaire, champ magnétique qui se serait transitoirement affaibli avec donc la barrière qu'il constituait. Si le phénomène se reproduisait, cette hypothèse pourrait peut-être être confirmée. En attendant, l'énigme demeure...

  • Les sources X ultralumineuses sont moins brillantes que les quasars mais plus que des sources stellaires comme les supernovae.
  • Incertaine, leur origine laissait penser un temps qu'il s'agissait peut-être de trous noirs intermédiaires avalant des étoiles mais l'hypothèse est devenue moins probable.
  • Il pourrait s'agir d'astres compacts de masses stellaires, comme des trous noirs ou des étoiles à neutrons, dans un régime d'accrétion bien particulier dit supercritique avec une luminosité exotique dite super-Eddington.
  • Une ULX découverte dans la galaxie NGC 6946 intrigue plus que les autres. Elle pourrait provenir de la destruction d'une naine brune avalée par un trou noir stellaire ou être une étoile à neutrons avec un régime d'accrétion contrôlée par une barrière magnétique fluctuante.
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