La flamme, découverte conjointement par la Zwicky Transient Facility, pourrait être le résultat d’un repas gigantesque pris par un trou noir.
Les étoiles les plus massives de l’univers sont destinées à exploser en supernovas brillantes avant de s’effondrer en trous noirs. Pourtant, une étoile géante semble ne jamais avoir accompli son destin ; ironie du sort, elle s’est trop approchée d’un trou noir gigantesque qui l’a engloutie, la réduisant en miettes.
C’est l’explication la plus probable avancée par les auteurs d’un nouveau rapport publié dans Nature Astronomy, qui décrit l’éruption d’énergie la plus puissante et la plus lointaine jamais enregistrée à partir d’un trou noir supermassif. Cet objet cosmique a été observé pour la première fois en 2018 par le Zwicky Transient Facility (ZTF), financé par la National Science Foundation (NSF) américaine et basé à l’observatoire Palomar de Caltech, et par le Catalina Real-Time Transient Survey, dirigé par Caltech et également financé par la NSF. La flambée s’est rapidement intensifiée d’un facteur 40 en quelques mois et, à son apogée, elle était 30 fois plus lumineuse que toutes les flambées de trous noirs observées jusqu’à présent. À son maximum, la flambée brillait avec la lumière de 10 000 milliards de soleils.
Le trou noir supermassif à l’origine de la flambée est un type de trou noir en accrétion, ou en alimentation, appelé noyau galactique actif (AGN). Appelé J2245+3743, cet AGN est estimé être 500 millions de fois plus massif que notre Soleil. Il se trouve à 10 milliards d’années-lumière dans l’univers lointain. Comme la lumière a une vitesse finie et met du temps à nous parvenir, les astronomes observent des événements lointains comme celui-ci dans le passé, lorsque l’univers était jeune.
« Les données énergétiques montrent que cet objet est très éloigné et très lumineux », indique Matthew Graham, auteur principal de l’étude, professeur de recherche en astronomie à Caltech, scientifique du projet ZTF et co-chercheur principal du projet. « Il ne ressemble à aucun autre AGN que nous ayons jamais vu. »
Les astronomes continuent d’observer le rayonnement du trou noir, même s’il s’estompe avec le temps. En fait, en plus d’avoir été témoins de cet objet dans le passé, le temps lui-même s’écoule plus lentement à l’endroit éloigné où se trouve le trou noir par rapport à notre propre expérience du temps. « Il s’agit d’un phénomène appelé dilatation cosmologique du temps, dû à l’étirement de l’espace et du temps. Lorsque la lumière traverse l’espace en expansion pour nous atteindre, sa longueur d’onde s’étire, tout comme le temps lui-même », explique Graham, soulignant que les études à long terme comme ZTF et Catalina sont importantes pour observer pleinement les événements du passé, car dans ce cas, « sept ans ici correspondent à deux ans là-bas. Nous regardons l’événement se dérouler au quart de sa vitesse ».
Afin de déterminer ce qui pourrait causer un tel éclat de lumière dans le cosmos, les chercheurs ont examiné de manière approfondie une liste de possibilités et ont conclu que le coupable le plus probable est un événement de perturbation par marée gravitationnelle (TDE). Ce phénomène se produit lorsque la gravité d’un trou noir supermassif cisaille une étoile qui s’en approche trop près, la consommant lentement au fil du temps alors qu’elle s’enfonce en spirale dans le trou noir. Le fait que le sursaut du trou noir J2245+3743 se poursuive indique que nous assistons à la destruction d’une étoile qui n’est pas encore entièrement dévorée, mais plutôt à « un poisson à mi-chemin dans la gorge de la baleine », observe Matthew Graham.
Si le sursaut provient d’un TDE, les scientifiques estiment que le trou noir supermassif a englouti une étoile dont la masse est au moins 30 fois supérieure à celle de notre Soleil. Le précédent détenteur du record du plus grand candidat TDE, un événement surnommé Scary Barbie d’après sa classification initiale ZTF20abrbeie, était loin d’être aussi intense. Ce TDE, qui serait également issu d’un AGN, était 30 fois moins puissant que celui de J2245+3743, et l’étoile condamnée aurait eu une masse comprise entre trois et dix masses solaires.
Collation stellaire dans le disque d’un trou noir
La plupart des quelque 100 TDE observés à ce jour ne se produisent pas autour d’AGN, des structures massives composées de trous noirs supermassifs entourés de grands disques tourbillonnants de matière qui alimentent le trou noir central. Les AGN bouillonnent, s’embrasant de leur propre activité alimentaire, ce qui peut masquer les sursauts de TDE et les rendre plus difficiles à détecter. La récente éruption géante J2245+3743, en revanche, était si importante qu’elle était plus facile à observer.
Cependant, au début, J2245+3743 ne semblait pas avoir quoi que ce soit de particulier. En 2018, après la première observation de l’objet, les chercheurs ont utilisé le télescope Hale de 200 pouces de l’observatoire Palomar de Caltech pour obtenir un spectre de la lumière de l’objet, mais celui-ci n’a rien révélé d’inhabituel. En 2023, l’équipe a remarqué que l’éruption s’estompait plus lentement que prévu, elle a donc obtenu un autre spectre de l’observatoire W. M. Keck à Hawaï, qui a révélé l’extrême luminosité de cet AGN particulier.
« Au début, il était important d’établir que cet objet extrême était vraiment aussi brillant », ajoute la co-auteure K. E. Saavik Ford, professeure au Graduate Center de la City University of New York (CUNY), au Borough of Manhattan Community College et à l’American Museum of Natural History (AMNH). Selon elle, il était possible que l’objet émette de la lumière vers nous plutôt que de briller dans toutes les directions, mais les données de l’ancienne mission Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) de la NASA ont permis d’écarter cette hypothèse. Finalement, après avoir écarté d’autres scénarios, les chercheurs ont conclu que J2245+3743 était bien le plus brillant des sursauts de trou noir jamais enregistrés.
« Si vous convertissez toute l’énergie de notre Soleil en énergie, en utilisant la célèbre formule d’Albert Einstein E = mc2, c’est la quantité d’énergie qui a été libérée par cette éruption depuis que nous avons commencé à l’observer », explique Mme Ford.
Une fois que l’équipe a établi la luminosité sans précédent de l’événement, elle s’est penchée sur ce qui aurait pu le provoquer. « Les supernovae ne sont pas assez brillantes pour expliquer cela », commente M. Ford, évoquant une possibilité. L’équipe penche plutôt pour l’hypothèse d’un trou noir supermassif déchirant lentement une énorme étoile jusqu’à la mort. « Les étoiles aussi massives sont rares, mais nous pensons que les étoiles situées dans le disque d’un AGN peuvent grossir. La matière du disque est déversée sur les étoiles, ce qui augmente leur masse. »
La découverte d’un repas de trou noir aux proportions aussi gigantesques indique que d’autres événements de ce type sont susceptibles de se produire à travers le cosmos. Les chercheurs espèrent exploiter davantage de données ZTF pour en trouver d’autres, et l’observatoire Vera C. Rubin de la NSF et du département de l’Énergie pourrait également découvrir des TDE inhabituellement grands.
« Nous n’aurions jamais découvert cet événement rare sans le ZTF », conclut M. Graham. « Cela fait maintenant sept ans que nous observons le ciel avec le ZTF, donc lorsque nous voyons quelque chose s’illuminer ou changer, nous pouvons voir ce qui s’est passé dans le passé et comment cela va évoluer. »
The Nature Astronomy study intitulé « An Extremely Luminous Flare Recorded from a Supermassive Black Hole » a été financé par la NSF, la Fondation Simons, la NASA et la Fondation allemande pour la recherche.
Source : Caltech
