Illustration d'un TDE qui s’est produit 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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Les trous noirs supermassifs fabriquent des spaghettis... et des crêpes stellaires

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Il y a plus d'un demi-siècle, les trous noirs étaient considérés comme des spéculations douteuses par un nombre non négligeable de chercheurs. Aujourd'hui, plusieurs signatures observationnelles de ces objets sont régulièrement étudiées, comme celles décrivant la destruction d'étoiles par un trou noir supermassif proposées par Jean-Pierre Luminet et Brandon Carter au début des années 1980.

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[EN VIDÉO] Que se passerait-il si vous tombiez dans un trou noir ?  Les profondeurs des trous noirs sont des espaces de mystère et de fantasme, mais cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas les approcher de manière scientifique. Voyageons donc ensemble aux frontières de la réalité telle que nous la connaissons. 

On attendait beaucoup de la mise en service du LHC (Large Hadron Collider). Alors, certes la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs a été un grand événement mais on espérait surtout que ce boson ne se comporterait pas vraiment selon les prévisions théoriques de la fin des années 1960 dans le cadre du modèle électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg. Une nouvelle physique révélant des particules supersymétriques et/ou des dimensions spatiales supplémentaires aurait ainsi été mise en évidence.

Le dernier mot est encore loin d'être dit à ce sujet mais force est de constater que depuis le centenaire de la découverte de la théorie de la relativité générale d’Einstein, c'est la théorie des trous noirs qui est venue spectaculairement sur le devant de la scène. Le prouve d'ailleurs l'attribution du dernier prix Nobel de physique à Roger Penrose, quelques années après que plusieurs des pionniers de la chasse aux ondes gravitationnelles générées par leur collision - Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip Thorne - ont reçu la même prestigieuse récompense pour leur implication dans le succès de la collaboration Ligo et Virgo.

En sera-t-il de même avec certains des membres de la collaboration Event Horizon Telescope qui ont montré que les prévisions de Jean-Pierre Luminet, concernant l'aspect d'un trou noir entouré d'un disque d'accrétion, étaient basiquement correctes ? On devrait le savoir d'ici quelques années probablement.

Une présentation du programme eLisa pour les ondes gravitationnelles, complémentaire du programme Athena pour les rayons X et l'astronomie multimessager. 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 ». © European Space Agency, ESA

Une astronomie multimessager avec les trous noirs

À l'horizon des années 2035, on devrait avoir également le franchissement d'une nouvelle étape dans le développement de l'astronomie multimessager. Le détecteur d’ondes gravitationnelles eLisa devrait en effet être en service et en mesure d'étudier les ondes émises par des collisions de trous noirs supermassifs et, surtout aussi, ces mêmes ondes avec d'autres signaux dans le domaine électromagnétique, voire avec des neutrinos, à l'occasion de la rencontre entre ces trous noirs et les autres astres compacts que sont les naines blanches et les étoiles à neutrons. En fait, même une étoile sur la séquence principale, qui s'approcherait trop près de l'horizon des événements d'un trou noir supermassif, subirait l'effet de ses forces de marée et serait détruite en émettant non seulement des ondes gravitationnelles mais aussi des rayons ultraviolets, X et gamma.

Plusieurs dizaines de ces événements dans le domaine des ondes électromagnétiques ont été découverts depuis le début du XXIe siècle et on les décrit comme des événements de rupture par effet de marée (en anglais tidal disruption event, TDE). On peut au moins faire remonter les premières réflexions sur le sujet avec un article publié en 1976 par Juan Frank et Martin F. Rees.

Une présentation du TDE désigné par ASASSN-19bt observé par Tess et Swift. 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. 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

Mais il a fallu attendre le début des années 1980 pour que des investigations sérieuses conduisant à des modèles et des simulations numériques précises soient entreprises. À cet égard, on peut considérer que Jean-Pierre Luminet et Brandon Carter, tous deux à l'Observatoire de Paris à cette époque, en sont les pionniers, comme le montre une publication dans le célèbre journal Nature en 1982, suivie d'une autre dans Astronomy & Astrophysics en 1983.

Les deux astrophysiciens relativistes ont montré dans cet article qu'un TDE avec un trou noir supermassif conduisait les forces de marée à comprimer l'étoile jusqu'à produire ce qu'ils ont appelé une crêpe stellaire. Un TDE peut aussi donner lieu à un processus de « spaghettification » et c'est précisément ce qui est arrivé dans le cas de AT2019qiz, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous.

Jean-Pierre Luminet a expliqué à Futura à ce sujet que : « À l'époque, nous avions prédit la production de sursauts X, voire gamma, dans certaines "strong tidal encounters", mais pas calculé l'émission d'ondes gravitationnelles, bien que B. Mashhoon ait été le premier à l'envisager en 1975. Par la suite, les premières simulations numériques de TDE prenant en compte l'émission d'ondes gravitationnelles ont été faites d'abord par Kobayashi et al. puis par C. Casalvieri et al.

J'ai également prédit avec un autre collègue à la fin des années 1980, qu'un TDE fort entre un trou noir de masse intermédiaire et une naine blanche produirait une supernova maréale et/ou un sursaut gamma (GRB). Plus tard, des événements comme ASASSN-15lh, ASASSN-14ae ou encore GRB60614 ont été interprétés de cette façon. »

L'astronome Édouard Roche. © Université Montpellier 2

Des forces de marée gravitationnelles en relativité générale

Mais, regardons de plus près ce qu'est le phénomène des crêpes stellaires. Pour mieux le comprendre, on peut commencer par remonter aux travaux d'Édouard Roche, le mathématicien et astronome français à l'origine de la fameuse limite de Roche. Elle exprime le fait qu'il existe une distance limite d'approche d'un petit corps céleste au voisinage d'un corps plus grand.

En deçà, les forces de marée du corps principal sont si importantes qu'elles disloquent le petit corps, incapable de maintenir sa cohésion sous sa propre gravité. Originellement limitée aux planètes, la notion de limite de Roche a été étendue à la stabilité des amas globulaires et des petites galaxies approchant des grandes et on parle alors de rayon de marée. Cette même notion de rayon de marée est utilisée aussi lorsqu'une étoile approche d'un trou noir.

En mars 1982, Jean-Pierre Luminet et Brandon Carter avaient donc déjà publié dans le journal Nature un article dans lequel ils avaient montré qu'une étoile pénétrant dans la zone définie par le rayon de marée d'un trou noir galactique devait d'abord être aplatie comme une crêpe par les forces de marée. Dans un second temps, expliquaient-ils, des réactions thermonucléaires doivent se produire au sein de l'étoile, conduisant à des détonations capables de la disloquer.

L’écrasement d’une étoile par les forces de marée d’un trou noir. Le dessin illustre la déformation progressive d’une étoile plongeant profondément dans le rayon de marée d’un trou noir géant (la taille de l’étoile est considérablement agrandie pour la clarté du dessin). La figure du haut représente la déformation de l’étoile dans son plan orbital (vue de dessus), celle du milieu montre la déformation dans la direction perpendiculaire (vue par la tranche), et le diagramme du bas indique l’aplatissement relatif. De (a) en (d), les forces de marée sont faibles et l’étoile reste pratiquement sphérique. En (e), l’étoile pénètre dans le rayon de marée et est dès lors condamnée. Sa configuration se rapproche d’abord de celle d’un cigare, puis de (e) à (g), l’effet laminoir des forces de marée écrase l’étoile dans son plan orbital, en une configuration de « crêpe ». Puis l’étoile rebondit et se dilate en ressortant du rayon de marée en (h). Plus loin, sur son orbite, l’étoile finit par se dissocier en fragments gazeux. Des simulations hydrodynamiques détaillées, prenant en compte les ondes de choc, ont été effectuées durant la phase d’écrasement (e) à (g). © J.-P. Luminet

On peut estimer qu'il se produit environ un TDE par galaxie tous les 104-105 ans, ce qui veut dire qu'avec ses capacités à surveiller un grand nombre de galaxies à la recherche d'événements transitoires, comme des supernovae, le Large Synoptic Survey Telescope (LSST), qui a récemment été rebaptisé en Observatoire Vera-C.-Rubin (Vera C. Rubin Observatory), pourrait en voir quelques milliers par an dans le domaine visible.

Pour ceux qui aimeraient en savoir un peu, voire beaucoup plus, voici quelques liens :

Pour en savoir plus

Des détails sans précédent de la « spaghettification » d’une étoile déchiquetée par un trou noir !

Article de Rémy Decourt publié le 12/10/2020

L'étude des trous noirs supermassifs et comment la matière se comporte dans les environnements de gravité extrême qui les entourent fait une avancée significative avec l'observation des derniers instants d'une étoile avalée par un trou noir. Une découverte qui pourrait même servir de « pierre de Rosette » pour interpréter les observations futures des événements de perturbation par effet de marée.

Les trous noirs sont, dans l'imaginaire collectif, des objets qui aspirent et avalent tout ce qui se trouve à proximité, même la lumière qui ne peut s'en échapper. D'où leur nom. C'est exactement ce qu'a pu observer une équipe d'astronomes. L'année dernière, elle a pointé le Very Large Telescope (VLT) de l'ESO et le New Technology Telescope (NTT) de l'ESO sur un nouveau flash de lumière qui s'est produit près d'un trou noir supermassif, pour étudier en détail ce qui se passe lorsqu'une étoile est dévorée par un tel monstre.

« L'idée d'un trou noir "aspirant" une étoile proche ressemble à de la science-fiction. Mais c'est exactement ce qui se produit lors d'un événement de rupture par effet de marée », déclare Matt Nicholl, maître de conférences et chercheur de la Royal Astronomical Society à l'université de Birmingham, au Royaume-Uni, et auteur principal de l'étude qui rapporte la découverte de ce rare jet de lumière provenant d'une étoile déchirée par un trou noir supermassif (AT2019qiz). Ce phénomène, connu sous le nom de perturbation par effet de marée, est l'éruption la plus proche de ce type enregistrée à ce jour à un peu plus de 215 millions d'années-lumière de la Terre.


Les astronomes ont observé la « spaghettification » d'une étoile.

De la théorie aux observations pratiques

En termes plus simples, les astronomes ont observé les derniers instants d'une étoile aspirée par un trou noir supermassif. L'étoile a subi ce que les astronomes appellent la « spaghettification » lorsqu'elle est aspirée par un trou noir. Ces événements sont rares et difficiles à étudier car le jet de lumière provenant de l'étoile aspirée est souvent obscurci par un rideau de poussières et de débris.

Cette fois-ci, les astronomes ont bénéficié de conditions d'observations favorables. La découverte a été possible parce que l'événement de rupture par effet de marée étudié par l'équipe, AT2019qiz, a été découvert peu de temps après que l'étoile a été mise en pièces. « C'est parce que nous l'avons détecté tôt, que nous avons pu voir le rideau de poussières et de débris se lever lorsque le trou noir a éjecté cette puissante gerbe de matière à des vitesses pouvant atteindre 10.000 km/s », explique Kate Alexander, boursière Einstein de la Nasa à l'université Northwestern aux États-Unis. « Cet exceptionnel "coup d'œil derrière le rideau" nous a fourni la première occasion de déterminer l'origine de la matière obscurcissante et de suivre en temps réel comment elle enveloppe le trou noir. »

Ces observations confortent les théories les plus couramment admises. « Lorsqu'une étoile malchanceuse s'approche trop près d'un trou noir supermassif au centre d'une galaxie, l'attraction gravitationnelle extrême du trou noir déchiquette l'étoile en minces flots de matière », explique  un autre auteur de l'étude Thomas Wevers, un boursier de l'ESO à Santiago du Chili, qui se trouvait à l'Institut d'astronomie de l'université de Cambridge, au Royaume-Uni, quand il a mené les travaux. Lorsque de minces brins de matière stellaire tombent dans le trou noir au cours de ce processus de spaghettification, une éruption brillante d'énergie est libérée, et les astronomes peuvent la détecter.

L'équipe a effectué des observations d'AT2019qiz, située dans une galaxie spirale de la constellation d'Eridan, sur une période de six mois, alors que sa luminosité augmentait puis s'éteignait. « Plusieurs programmes de sondage du ciel ont détecté l'émission provoquée par ce nouveau phénomène de perturbation par effet de marée très rapidement après que l'étoile a été déchirée », explique Thomas Wevers. Nous avons immédiatement pointé une série de télescopes terrestres et spatiaux dans cette direction pour voir comment la lumière était produite ».

« Les observations ont montré que l'étoile avait à peu près la même masse que notre propre Soleil, et qu'elle en a perdu environ la moitié au profit du monstre qu'est le trou noir, qui est plus d'un million de fois plus massif », explique Matt Nicholl, également chercheur invité à l'université d'Édimbourg.

En conclusion, expliquent les auteurs de cette découverte, ces travaux « nous aide à mieux comprendre les trous noirs supermassifs et comment la matière se comporte dans les environnements de gravité extrême qui les entourent ». Selon l'équipe, AT2019qiz pourrait même servir de « pierre de Rosette » pour interpréter les observations futures des événements de perturbation par effet de marée. L'ELT (Extremely Large Telescope) de l'ESO, dont l'entrée en service est prévue pour cette décennie est un observatoire terrestre de 39 mètres de diamètre qui permettra aux chercheurs de détecter des événements de perturbation par effets de marée de plus en plus faibles et évoluant plus rapidement, afin de résoudre d'autres mystères de la physique des trous noirs. À suivre donc...

Cette illustration montre une étoile (au premier plan) en train de se "spaghettiser" alors qu'elle est aspirée par un trou noir supermassif (en arrière-plan) lors d'un "événement de rupture par effet de marée". © ESO, M. Kornmesser
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