Les astronomes ont découvert une règle surprenante qui semble déterminer le moment où les trous noirs libèrent de puissants jets de matière dans l’espace. Même si les trous noirs peuvent différer en masse des millions de fois, les chercheurs ont découvert qu’ils semblent suivre le même schéma fondamental lorsqu’ils produisent ces énormes flux cosmiques.
La découverte, publiée dans Astronomie naturellesuggère que les trous noirs peuvent activer leurs jets au même stade critique de leur cycle d’alimentation, qu’ils pèsent environ 10 fois plus que le Soleil ou des millions de fois plus.
La recherche a été dirigée par le Dr Adelle Goodwin, astrophysicienne au Centre international de recherche en radioastronomie (ICRAR) de l’Université Curtin et membre de la Forrest Research Foundation, aux côtés du co-auteur, le Dr Andrew Mummery de l’Institute for Advanced Study de Princeton.
Cette percée est le fruit d’années d’étude d’événements inhabituels au cours desquels des trous noirs supermassifs déchirent les étoiles. En combinant les observations de télescopes en Australie, aux États-Unis, en Inde, en Afrique du Sud et dans l’espace, les scientifiques ont dressé une image plus claire du comportement des trous noirs lorsqu’ils consomment de la matière.
Étonnamment, l’information cruciale n’est pas venue lors de l’examen d’un télescope. Cela s’est produit dans un bar de Madrid, où Goodwin et Mummery assistaient à une conférence scientifique. Au cours d’une conversation, ils ont reconnu que la même règle connue pour régir la formation de jets dans des trous noirs relativement petits semblait également s’appliquer à leurs homologues supermassifs.
Pourquoi certains trous noirs éclatent des années après avoir dévoré des étoiles
L’un des plus grands mystères que les chercheurs voulaient expliquer était la raison pour laquelle les trous noirs ne lancent pas toujours des jets en même temps.
Lorsqu’un trou noir supermassif déchire une étoile, il produit parfois un puissant jet presque immédiatement. Dans d’autres cas, le trou noir semble relativement silencieux pendant des mois, voire des années, avant de produire soudainement un flux radio détectable.
“Nous avons examiné ces événements et nous sommes demandé pourquoi le moment était si différent”, a déclaré le Dr Goodwin.
“Ensuite, la tendance est devenue claire. Les jets retardés sont apparus lorsque le taux d’alimentation du trou noir a chuté jusqu’au même point critique déjà connu pour des trous noirs beaucoup plus petits.
“C’est à ce moment-là que nous avons réalisé qu’il ne s’agissait pas simplement d’une bizarrerie d’un type de trou noir, mais que cela ressemblait à une règle applicable à tout l’Univers.”
Bien que les trous noirs soient souvent décrits comme des aspirateurs cosmiques qui avalent tout ce qui se trouve à proximité, leur comportement alimentaire est bien plus compliqué.
À mesure que la matière se dirige vers un trou noir, elle ne disparaît pas nécessairement entièrement au-delà de l’horizon des événements, la frontière au-delà de laquelle rien ne peut échapper. Une partie de la matière peut en revanche être expulsée dans l’espace par le biais de puissants jets et d’autres sorties.
“Quand un trou noir déchire une étoile, il n’avale pas tout proprement”, a déclaré le Dr Goodwin.
“Une partie de la matière est consommée et une autre est renvoyée dans l’espace par de puissants jets et sorties.
“Vous pouvez considérer cela comme un rot de trou noir, sauf que ces rots peuvent projeter de la matière sur d’énormes distances et influencer les galaxies qui les entourent.”
Ces énormes flux peuvent transporter de l’énergie et de la matière loin du trou noir, affectant potentiellement la galaxie environnante.
Comment les scientifiques ont étudié les trous noirs supermassifs en action
Les astronomes soupçonnent depuis longtemps que les trous noirs fonctionnent selon les mêmes lois physiques sous-jacentes, quelle que soit leur masse. Il a toutefois été difficile de démontrer ce lien.
Un obstacle majeur est le temps. Le comportement alimentaire d’un trou noir supermassif peut changer au fil des milliers d’années, ce qui rend presque impossible pour les astronomes d’observer le déroulement d’un cycle complet.
Goodwin et ses collègues ont abordé ce problème en examinant des événements rares appelés événements de perturbation des marées.
Celles-ci se produisent lorsqu’une étoile passe trop près d’un trou noir supermassif et subit des forces gravitationnelles si extrêmes qu’elle est déchirée. Une partie des débris résultants tombe vers le trou noir, augmentant temporairement son activité alimentaire.
Contrairement aux changements beaucoup plus longs normalement associés aux trous noirs supermassifs, ces épisodes dramatiques peuvent se dérouler sur quelques années seulement. Cela donne aux scientifiques une occasion inhabituelle de suivre la réaction d’un trou noir géant à mesure que son approvisionnement en matière change.
L’équipe a initialement examiné 20 événements de perturbation des marées à l’aide d’observations recueillies dans la lumière visible, les ultraviolets, les rayons X et les longueurs d’onde radio. Ils ont ensuite sélectionné 10 événements pour lesquels les données disponibles leur ont permis d’estimer de manière fiable à la fois la vitesse à laquelle le trou noir consommait de la matière et le moment de ses émissions radio.
En comparant ces événements, les chercheurs ont identifié une tendance remarquablement cohérente.
Une règle universelle des 2 % pour les jets de trous noirs
Les observations ont révélé deux étapes distinctes au cours desquelles les trous noirs peuvent produire des jets.
Le premier se produit au début du processus d’alimentation, lorsque le trou noir consomme de la matière à un rythme exceptionnellement élevé.
La seconde peut survenir beaucoup plus tard, des centaines, voire des milliers de jours après la destruction initiale de l’étoile.
Durant cette phase retardée, des jets apparaissent lorsque le taux d’alimentation du trou noir tombe à environ 2 % de sa limite d’Eddington.
La limite d’Eddington est une référence théorique décrivant le point auquel la pression vers l’extérieur produite par le rayonnement équilibre l’attraction de la gravité vers l’intérieur. Les astronomes l’utilisent pour mesurer l’intensité de l’alimentation d’un trou noir par rapport à une limite physique caractéristique.
Ce qui rend cette découverte particulièrement significative est que le même seuil de 2 % a déjà été associé à la formation de jets dans des trous noirs beaucoup plus petits au sein de notre propre galaxie, la Voie Lactée.
En d’autres termes, les trous noirs séparés par d’énormes différences de masse semblent activer des jets retardés essentiellement à la même vitesse d’alimentation relative.
“Ces trous noirs sont séparés par d’énormes différences de masse, mais ils semblent activer leurs jets au même moment du processus d’alimentation”, a déclaré le Dr Goodwin.
“Cela nous apprend quelque chose de fondamental à propos des trous noirs : la physique ne semble pas se soucier de leur taille.”
Cette découverte fournit une explication potentielle à une observation autrement déroutante. Certains trous noirs génèrent des jets radio peu de temps après avoir détruit une étoile, tandis que d’autres semblent inactifs avant de produire de puissants jets bien plus tard.
Plutôt que de se comporter de manière imprévisible, ces éruptions retardées pourraient être régies par un seuil physique commun.
Prédire quand les trous noirs lanceront des jets
Au-delà de la révélation de quelque chose de fondamental sur la physique des trous noirs, cette découverte pourrait aider les astronomes à mieux utiliser les puissants radiotélescopes.
Le temps d’observation sur les principales installations scientifiques est limité et hautement compétitif. Les chercheurs doivent soigneusement décider quels objets étudier, à quelle fréquence les observer et quand ils sont le plus susceptibles de révéler quelque chose d’important.
Si les astronomes peuvent estimer le moment où le taux d’alimentation d’un trou noir approchera du seuil critique, ils pourront peut-être prédire quand un jet retardé est susceptible d’apparaître.
“Les radiotélescopes sont incroyablement puissants, mais savoir quand regarder est tout aussi important que savoir où regarder”, a déclaré le Dr Goodwin. “Si nous pouvons anticiper le moment où un trou noir est plus susceptible de lancer un avion à réaction, nous pouvons mener des campagnes mieux ciblées, gaspiller moins d’observations et améliorer nos chances de détecter ces événements rares au moment où ils comptent le plus.”
Cela pourrait réduire les observations de suivi inutiles tout en augmentant les chances de détecter de rares épisodes de lancement d’avions à réaction à des moments cruciaux.
Les implications sont particulièrement importantes pour l’Australie occidentale, qui hébergera la composante basse fréquence du Square Kilometer Array Observatory (SKA), l’un des projets de radioastronomie les plus importants et les plus ambitieux jamais entrepris.
Le gouvernement australien a investi 387 millions de dollars dans le SKA, alors que le coût total du projet dépasse les 2 milliards de dollars. Utiliser plus efficacement une installation aussi coûteuse pourrait apporter des avantages substantiels aux astronomes et à la communauté scientifique au sens large, permettant potentiellement de faire des découvertes plus importantes avec le temps d’observation disponible.
Alors que la prochaine génération d’enquêtes astronomiques identifie un nombre croissant d’événements de perturbation des marées, les chercheurs seront confrontés à un défi de plus en plus difficile pour décider lesquels méritent une plus grande attention.
La relation nouvellement identifiée entre les taux d’alimentation et la formation des jets pourrait fournir un guide précieux, aidant les scientifiques à concentrer leurs observations sur les trous noirs les plus susceptibles de produire des écoulements détectables.
Une percée du trou noir motivée par la curiosité
Le professeur James Arvanitakis, directeur de la Forrest Research Foundation, a déclaré que cette découverte souligne l’importance de soutenir les scientifiques en début de carrière qui se penchent sur des questions ambitieuses sans savoir à l’avance où les réponses les mèneront.
Ce type d’enquête ouverte, souvent décrit comme une recherche « à ciel bleu », peut produire des découvertes inattendues dont les bénéfices s’étendent bien au-delà de la question scientifique initiale.
“La Forrest Research Foundation n’a pas financé une réponse prédéterminée, nous avons soutenu un chercheur exceptionnel avec une question difficile”, a déclaré le professeur Arvanitakis.
“Cette question a conduit à une découverte d’importance internationale. C’est exactement pourquoi la recherche fondamentale est importante : elle élargit ce que nous savons, affine la façon dont nous utilisons les principales infrastructures scientifiques et développe des capacités qui vont bien au-delà de l’astronomie.
“Le fait que cette découverte ait été réalisée en Australie occidentale témoigne de la force de notre écosystème de recherche et de l’importance de donner à des personnes exceptionnelles une raison de faire carrière ici.”
En reliant le comportement de trous noirs relativement petits à celui de géants supermassifs, les résultats renforcent l’idée selon laquelle les mêmes processus physiques fondamentaux opèrent à des échelles très différentes.
Ils offrent également aux astronomes un moyen plus fiable d’anticiper l’un des phénomènes les plus dramatiques de l’univers : le moment où un trou noir commence à lancer un puissant jet dans l’espace.
