Les trous noirs supermassifs provoquent la perturbation ou la destruction d’étoiles proches, ce qui se traduit par des événements de perturbation par effet de marée (TDE). Les observations de la lumière polarisée provenant de ces TDE ont maintenant révélé des détails clés sur les processus impliqués.
L’Univers est un endroit violent où même la vie d’une étoile peut être écourtée. Cela se produit lorsqu’une étoile se trouve dans un « mauvais » voisinage, plus précisément à proximité d’un trou noir supermassif.
Ces trous noirs, dont la masse est des millions, voire des milliards de fois supérieure à celle de notre Soleil, sont généralement nichés au centre de galaxies tranquilles. Lorsqu’une étoile s’approche du trou noir, elle est soumise à une pression gravitationnelle croissante de la part du trou noir supermassif, qui finit par l’emporter sur les forces qui maintiennent l’intégrité de l’étoile. L’étoile est alors perturbée ou détruite, un événement connu sous le nom de perturbation par effet de marée (TDE).
« Une fois l’étoile déchirée, son gaz forme un disque d’accrétion autour du trou noir. Les éclats lumineux du disque peuvent être observés dans presque toutes les longueurs d’onde, en particulier avec les télescopes optiques et les satellites qui détectent les rayons X », explique Yannis Liodakis, chercheur postdoctoral à l’Université de Turku et au Centre finlandais d’astronomie avec l’ESO (FINCA).
Jusqu’à récemment, les chercheurs ne connaissaient que quelques TDE, car il n’y avait pas beaucoup d’expériences capables de les détecter. Ces dernières années, cependant, les scientifiques ont développé les outils nécessaires pour observer davantage de TDE. Il est intéressant, mais peut-être pas trop surprenant, que ces observations aient conduit à de nouveaux mystères que les chercheurs étudient actuellement.
« Les observations réalisées dans le cadre d’expériences à grande échelle avec des télescopes optiques ont révélé qu’un grand nombre de TDE ne produisent pas de rayons X, même si les bouffées de lumière visible peuvent être clairement détectées. Cette découverte contredit notre compréhension de base de l’évolution de la matière stellaire perturbée dans les TDE », note Liodakis.
Lors d’une perturbation par effet de marée, une étoile se rapproche suffisamment d’un trou noir supermassif pour que l’attraction gravitationnelle du trou noir la fasse plier jusqu’à ce qu’elle soit détruite (image 1). La matière stellaire de l’étoile détruite forme un courant elliptique autour du trou noir (image 2). Des chocs de marée se forment autour du trou noir lorsque le gaz se heurte lui-même sur son chemin de retour après avoir tourné autour du trou noir (image 3). Les chocs de marée créent des explosions lumineuses de lumière polarisée qui peuvent être observées dans les longueurs d’onde optiques et ultraviolettes. Avec le temps, le gaz de l’étoile détruite forme un disque d’accrétion autour du trou noir (image 4), d’où il est lentement attiré dans le trou noir. Remarque : l’échelle de l’image n’est pas exacte. Crédit photo : Jenni Jormanainen
Une étude publiée dans la revue Science par une équipe internationale d’astronomes dirigée par le Centre finlandais d’astronomie et l’ESO suggère que la lumière polarisée provenant des TDE pourrait être la clé de la résolution de ce mystère.
Au lieu de la formation d’un disque d’accrétion brillant aux rayons X autour du trou noir, l’explosion observée dans la lumière optique et ultraviolette détectée dans de nombreux TDE peut provenir de chocs de marée. Ces chocs se forment loin du trou noir lorsque le gaz de l’étoile détruite se heurte à lui-même sur son chemin de retour après avoir tourné autour du trou noir. Le disque d’accrétion brillant aux rayons X se formerait beaucoup plus tard dans ces événements.
« La polarisation de la lumière peut fournir des informations uniques sur les processus sous-jacents des systèmes astrophysiques. La lumière polarisée que nous avons mesurée à partir du TDE ne peut s’expliquer que par ces chocs de marée », explique Liodakis, auteur principal de l’étude.
La lumière polarisée aide les chercheurs à comprendre la destruction des étoiles
Fin 2020, l’équipe a reçu une alerte publique du satellite Gaia concernant un événement nucléaire transitoire dans une galaxie proche désignée sous le nom de AT 2020mot. Les chercheurs ont ensuite observé AT 2020mot dans une large gamme de longueurs d’onde, notamment par polarisation optique et par spectroscopie au télescope optique nordique (NOT), qui appartient à l’université de Turku. Les observations effectuées au NOT ont joué un rôle particulièrement important dans la réalisation de cette découverte. En outre, les observations de polarisation ont été réalisées dans le cadre d’un cours d’astronomie observationnelle destiné aux élèves du secondaire.
« Le Nordic Optical Telescope et le polarimètre que nous utilisons dans cette étude ont joué un rôle déterminant dans nos efforts pour comprendre les trous noirs supermassifs et leur environnement », explique Jenni Jormanainen, chercheuse doctorante à FINCA et à l’Université de Turku, qui a dirigé les observations de polarisation et l’analyse avec le NOT.
Les chercheurs ont constaté que la lumière optique provenant d’AT 2020mot était fortement polarisée et variait avec le temps. Malgré plusieurs tentatives, aucun des télescopes radio ou à rayons X n’a pu détecter le rayonnement de l’événement avant, pendant ou même plusieurs mois après le pic de l’éruption.
« Lorsque nous avons vu à quel point AT2020mot était polarisé, nous avons immédiatement pensé à un jet jaillissant du trou noir, comme nous l’observons souvent autour des trous noirs supermassifs qui accrètent le gaz environnant. Mais il n’y avait pas de jet », explique Elina Lindfors, membre de l’Académie de recherche de l’université de Turku et de FINCA.
L’équipe d’astronomes a réalisé que les données correspondaient le mieux à un scénario dans lequel le flux de gaz stellaire entre en collision avec lui-même et forme des chocs près du péricentre et de l’apocentre de son orbite autour du trou noir. Les chocs amplifient et ordonnent le champ magnétique dans le flux stellaire, ce qui conduit naturellement à une lumière fortement polarisée. Le niveau de polarisation optique était trop élevé pour être expliqué par la plupart des modèles, et le fait qu’il changeait avec le temps rendait la tâche encore plus difficile.
« Tous les modèles que nous avons examinés ne pouvaient pas expliquer les observations, à l’exception du modèle de choc de marée », note Karri Koljonen, qui était astronome au FINCA à l’époque des observations et qui travaille aujourd’hui à l’Université norvégienne des sciences et de la technologie (NTNU).
Les chercheurs continueront à observer la lumière polarisée provenant des TDE et pourraient bientôt en découvrir davantage sur ce qui se passe après la dislocation d’une étoile.
Référence : « Optical polarization from colliding stellar stream shocks in a tidal disruption event » par I. Liodakis, K. I. I. Koljonen, D. Blinov, E. Lindfors, K. D. Alexander, T. Hovatta, M. Berton, A. Hajela, J. Jormanainen, K. Kouroumpatzakis, N. Mandarakas et K. Nilsson, 11 mai 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.abj9570