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NuSTAR Sondes Black Hole, Jet Mystery

November 12, 2017

 

 

 

 

Les trous noirs sont célèbres pour être des mangeurs voraces, mais ils ne mangent pas tout ce qui tombe vers eux. Une petite partie du matériel est rejetée dans de puissants jets de gaz chauds, appelés plasma, qui peuvent faire des ravages dans leur environnement. En cours de route, ce plasma est suffisamment énergisé pour irradier fortement la lumière et former deux colonnes lumineuses le long de l'axe de rotation du trou noir. Les scientifiques ont longtemps débattu où et comment cela se passe dans le jet. 
 
Les astronomes ont de nouveaux indices sur ce mystère. Utilisant le télescope spatial NuSTAR de la NASA et une caméra rapide appelée ULTRACAM sur l'Observatoire William Herschel à La Palma, en Espagne, les scientifiques ont pu mesurer la distance parcourue par les particules dans les jets avant de «s'allumer» et devenir des sources lumineuses. Cette distance est appelée la "zone d'accélération". L'étude est publiée dans la revue Nature Astronomy. 

 

Les scientifiques ont examiné deux systèmes de la Voie Lactée appelés "binaires de rayons X", consistant chacun en un trou noir se nourrissant d'une étoile normale. Ils ont étudié ces systèmes à différents moments pendant les périodes de débordement - c'est à dire lorsque le disque d'accrétion - une structure plane de matériau en orbite autour du trou noir - s'illumine à cause de la chute de la matière. 
 
Un système, appelé V404 Cygni, avait atteint un pic de luminosité lorsque les scientifiques l'ont observé en juin 2015. À ce moment-là, il a connu l'éclat le plus brillant d'un binaire de rayons X vu au 21ème siècle. L'autre, appelé GX 339-4, représentait moins de 1% de sa luminosité maximale attendue lorsqu'elle a été observée. L'étoile et le trou noir de GX 339-4 sont beaucoup plus rapprochés que dans le système V404 Cygni. 
 
Malgré leurs différences, les systèmes ont montré des délais similaires - environ un dixième de seconde - entre le moment où NuSTAR a détecté pour la première fois la lumière X et ULTRACAM détecté des éruptions à la lumière visible un peu plus tard. Ce retard est inférieur au clin d'œil, mais significatif pour la physique des jets à trous noirs. 

 

"Une possibilité est que la physique du jet ne soit pas déterminée par la taille du disque, mais par la vitesse, la température et d'autres propriétés des particules à la base du jet", a déclaré Poshak Gandhi, auteur principal de l'étude et astronome. l'Université de Southampton, Royaume-Uni. 
 
La meilleure théorie pour expliquer ces résultats est que la lumière X provient d'un matériau très proche du trou noir. Des champs magnétiques puissants propulsent une partie de ce matériau à des vitesses élevées le long du jet. Cela se traduit par des collisions de particules à proximité de la vitesse de la lumière, alimentant le plasma jusqu'à ce qu'il commence à émettre le flux de rayonnement optique capturé par l'ULTRACAM. 
 
Où cela se produit-il dans le jet? Le retard mesuré entre la lumière optique et la lumière X explique cela. En multipliant cette quantité de temps par la vitesse des particules, qui est presque la vitesse de la lumière, les scientifiques déterminent la distance maximale parcourue. 

 

Cette étendue d'environ 30 000 kilomètres représente la zone d'accélération interne du jet, où le plasma ressent l'accélération la plus forte et «s'allume» en émettant de la lumière. C'est juste un peu moins de trois fois le diamètre de la Terre, mais minuscule en termes cosmiques, surtout si l'on considère le trou noir dans V404 Cygni pèse jusqu'à 3 millions de Terres assemblées. 
 
"Les astronomes espèrent affiner les modèles pour les mécanismes d'alimentation à réaction en utilisant les résultats de cette étude", a déclaré Daniel Stern, co-auteur de l'étude et astronome basé au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, Pasadena, Californie. 
 
Faire ces mesures n'était pas facile. Les télescopes à rayons X dans l'espace et les télescopes optiques au sol doivent regarder les binaires des rayons X exactement au même moment pendant les éruptions pour que les scientifiques puissent calculer le minuscule délai entre les détections des télescopes. Une telle coordination nécessite une planification complexe entre les équipes d'observatoires. En fait, la coordination entre NuSTAR et ULTRACAM n'a été possible que pendant environ une heure durant l'explosion de 2015, mais cela a suffi pour calculer les résultats révolutionnaires de la zone d'accélération. 
 
Les résultats semblent également se rapprocher de la compréhension par les scientifiques des trous noirs supermassifs, beaucoup plus grands que ceux de cette étude. Dans un système supermassif appelé BL Lacertae, pesant 200 millions de fois la masse de notre Soleil, les scientifiques ont déduit des délais des millions de fois supérieurs à ce que cette étude a trouvé. Cela signifie que la taille de la zone d'accélération des jets est probablement liée à la masse du trou noir. 
 
"Nous sommes excités parce qu'il semble que nous ayons trouvé un critère caractéristique lié au fonctionnement interne des jets, non seulement dans les trous noirs de masse stellaire comme V404 Cygni, mais aussi dans les monstres supermassifs", a déclaré Gandhi. 
 
Les prochaines étapes sont de confirmer ce retard mesuré dans les observations d'autres binaires X, et de développer une théorie qui peut lier des jets dans des trous noirs de toutes tailles. 

 

«Les télescopes spatiaux et terrestres globaux ont joué un rôle clé dans cette découverte, mais ce n'est qu'un aperçu, et il reste beaucoup à apprendre.L'avenir est vraiment brillant pour comprendre la physique extrême des trous noirs», a déclaré Fiona Harrison, chercheuse principale de NuSTAR et professeur d'astronomie à Caltech à Pasadena. 

 

 
NuSTAR est une mission de Small Explorer dirigée par Caltech et gérée par le JPL pour la Direction des missions scientifiques de la NASA à Washington. NuSTAR a été développé en partenariat avec l'Université technique danoise et l'Agence spatiale italienne (ASI). Le vaisseau spatial a été construit par Orbital Sciences Corp., Dulles, Virginie. Le centre des opérations de la mission de NuSTAR se trouve à UC Berkeley, et les archives de données officielles se trouvent au centre de recherche sur les archives scientifiques d'astrophysique des hautes énergies de la NASA. ASI fournit la station au sol de la mission et une archive miroir. Caltech gère le JPL pour la NASA. 

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