Une source X Ultra-lumineuse révèle un trou noir affamé

Jeudi, 9 octobre 2014

Une équipe d’astronomes1 dont des chercheurs de l’Observatoire astronomique de Strasbourg (CNRS/Université de Strasbourg) a découvert un trou noir de faible masse2 avalant la matière arrachée à une étoile compagnon à un taux beaucoup plus élevé que normalement possible. Ces résultats montrent qu’il n’est pas nécessaire de recourir à une classe mystérieuse de trous noirs massifs pour expliquer la luminosité exceptionnelle des sources X dites ultralumineuses. Les observations qui ont conduit à ces conclusions proviennent des télescopes optiques géants de l’Observatoire européen austral (ESO) et des télescopes spatiaux en rayons X Chandra, Swift (NASA) et XMM-Newton (ESA). Ils paraissent dans la revue Nature le 9 octobre.

L'étoile compagnon du trou noir a épuisé la réserve d'hydrogène disponible en son cœur et a gonflé de manière si importante qu'elle est devenue capable de déverser de grandes quantités de matière sur le trou noir. Le trou noir tourne autour de cette étoile supergéante avec une période de 64 jours. L'orbite est très excentrique, c'est à dire que la distance entre l'étoile et le trou noir varie considérablement au cours du temps.

Quand le trou noir s’approche de l'étoile normale, sa forte émission de rayons X chauffe la partie de l'étoile supergéante lui faisant face et la rend plus lumineuse. En modélisant très précisément cet effet, les astronomes ont été capables de contraindre la masse du trou noir à moins de 15 fois la masse du soleil. Il est surprenant de constater qu'un trou noir de masse aussi modeste puisse générer une luminosité en rayons X aussi élevée. Normalement, la pression de radiation de la lumière générée par la chute de la matière dans le trou noir devrait la freiner et l’empêcher de tomber de manière aussi intense.


Vue d’artiste du système ultralumineux P13 où une étoile supergéante déverse une grande quantité de matière sur son compagnon trou noir. © Tom Russell/ICRAR (Australie)

Des observations en rayons X ont montré que la distribution en énergie des rayons X comprenait une composante relativement froide et une cassure à plus haute énergie. Ces deux caractéristiques sont typiques de ce que les astronomes appellent les sources X « ultralumineuses » rencontrées dans les galaxies externes. La très grande luminosité de ces sources a souvent été prise comme la preuve de l'existence de trous noirs de masses intermédiaires (quelques centaines à quelques milliers de fois la masse du soleil) entre ceux créés par l'effondrement d'une étoile massive en fin de vie et ceux rencontrés au cœur des galaxies actives dont la masse dépasse le million de masses solaires.

Nous montrons ici que la grande luminosité de ces sources peut simplement être expliquée par le 'gavage' d'un trou noir d'origine stellaire et sans qu'il y ait besoin d'invoquer la présence d’un trou noir de masse intermédiaire. Il existe donc un mécanisme qui permet de contrebalancer les effets de la pression de radiation et donne au trou noir la possibilité d'avaler d’énormes quantités de matière. Nous montrons que les caractéristiques particulières de la distribution en énergie (ou spectre) en rayons X sont en fait la signature de ce mode de fonctionnement.

Note(s): 

1L'équipe internationale est constituée de chercheurs de l'Observatoire Astronomique de Strasbourg du "Centre for Radio Astronomy Research" à l’Université Curtin (Australie) et à l'Observatoire de Varsovie (Pologne).

2La source X surnommée P13 est située à 12 millions d'années lumière dans la banlieue d'une galaxie spirale appelée NGC 7793.

Source(s): 

A mass of less than 15 solar masses for the black hole in an ultraluminous X-ray source, C. Motch, M. W. Pakull, R. Soria, F. Grisé, G. Pietrzyński, Nature, 9 octobre 2014.

Contacts chercheurs :

  • Christian Motch (CNRS - Observatoire astronomique de Strasbourg) : christian [dot] motch [at] astro [dot] unistra [dot] fr  I  03 68 85 24 28
  • Manfred Pakull (CNRS - Observatoire astronomique de Strasbourg) : manfred [dot] pakull [at] astro [dot] unistra [dot] fr  I  03 68 85 24 30

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