Une étoile avalée par un trou noir supermassif envoie une particule fantomatique sur Terre

Par Lu Xiao
8 mars 2021
Mis à jour: 8 mars 2021

Une particule de haute énergie, que l’on pense avoir été envoyée par un trou noir supermassif il y a des centaines de millions d’années, est entrée en collision avec la Terre et a offert aux astronomes un rare aperçu des trous noirs.

Les trous noirs supermassifs sont des monstres qui se cachent au centre des galaxies. Leur force gravitationnelle est si forte que si une étoile malchanceuse s’en approche trop, elle sera déchiquetée.

Les astronomes appellent cela un phénomène de perturbation de marée. Le trou noir avale alors les restes de l’étoile, ce qui dégage temporairement de la lumière, car le trou noir est plein d’énergie.

Récemment, une équipe d’astronomes a été témoin d’une telle catastrophe cosmique.

Le 9 avril 2019, le Zwicky Transient Facility (ZTF) de l’observatoire Palomar, dans le comté de San Diego, en Californie, a détecté une lumière émise lors d’une perturbation de marée.

Cet événement, baptisé AT2019dsg, s’est produit dans une galaxie appelée 2MASX J20570298+1412165, qui se trouve à plus de 690 millions d’années-lumière de la Terre, dans la constellation du Dauphin.

Ce qui a rendu cet événement plus significatif est que les astronomes ont plus tard trouvé une « particule fantôme », ou neutrino, qui venait de la même direction.

Le 1er octobre 2019, l’Observatoire de neutrinos IceCube, en Antarctique, a détecté un neutrino de très haute énergie appelé IC191001A. Il s’est avéré que le neutrino provenait d’une direction très proche de celle d’AT2019dsg.

« IC191001A s’est écrasé dans la glace de l’Antarctique avec une énergie remarquable de plus de 100 téraélectronvolts », a déclaré le co-auteur, le professeur Anna Franckowiak, chercheur à l’université de Bochum, dans un communiqué.

« À titre de comparaison, c’est au moins dix fois l’énergie maximale des particules qui peut être atteinte dans le plus puissant accélérateur de particules au monde, le Grand Collisionneur de hadrons, du Laboratoire européen de physique des particules, le CERN, près de Genève. »

Les neutrinos sont partout et dépassent facilement en nombre tous les atomes de l’univers, mais ils sont très petits et n’interagissent pratiquement avec rien, ce qui les rend extrêmement difficiles à détecter. On les appelle des particules fantômes parce qu’ils peuvent passer inaperçus à travers des objets solides.

« C’est le premier neutrino lié à un phénomène de perturbation de la marée, et il nous apporte des preuves précieuses », a déclaré le co-auteur principal Robert Stein, un étudiant en doctorat au Synchrotron électronique allemand (DESY) et à l’université Humboldt.

« L’origine des neutrinos cosmiques de haute énergie est inconnue, principalement parce qu’ils sont notoirement difficiles à localiser », a déclaré le coauteur principal, le Dr Sjoert van Velzen, chercheur à l’université de New York, dans un communiqué. « [Ce] serait la deuxième fois que l’origine des neutrinos de haute énergie est [localisée]. »

« Les phénomènes de perturbations de marées sont des événements incroyablement rares, qui ne se produisent qu’une fois tous les 10 000 à 100 000 ans dans une vaste galaxie comme la nôtre. Les astronomes n’en ont observé que quelques dizaines à ce jour », a déclaré S. Bradley Cenko, chercheur principal de Swift au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, dans un communiqué. « Mesurer les ondes de diverses longueurs lors de chaque événement nous aide à en apprendre plus sur eux en tant que classe, donc le phénomène de perturbation de marée AT2019dsg était d’un grand intérêt même sans compter la détection d’un neutrino en sa provenance. »

Comme la détection du neutrino a eu lieu des mois après la perturbation de marée, on peut se demander si les deux détections étaient vraiment liées.

Ces incertitudes ont donné lieu à une chasse aux ondes de divers longueurs, notamment en utilisant divers instruments tels que les télescopes radio, optiques et à rayons X, y compris le télescope spatial à rayons X Swift de la NASA, pour essayer de comprendre le lien entre le phénomène de perturbation de marée et ce neutrino de très haute énergie.

Les observations ont montré que le phénomène de perturbation de marée joue le rôle d’accélérateur naturel de particules.

« Les observations combinées démontrent la puissance de l’astronomie multi-messagers », a déclaré le co-auteur Marek Kowalski, responsable de l’astronomie des neutrinos à DESY et professeur à l’université Humboldt de Berlin. « Sans la détection du phénomène de perturbation de marée, le neutrino ne serait qu’un parmi tant d’autres. Et sans le neutrinos, l’observation du phénomène de perturbation de marée ne serait qu’une parmi tant d’autres. Ce n’est que grâce à cette combinaison que nous pouvions trouver l’accélérateur et apprendre quelque chose de nouveau sur les processus qui se déroulent à l’intérieur. »

AT2019dsg est l’un des rares événements connus de perturbation de marée par émission de rayons X. Les scientifiques pensent que les rayons X proviennent soit de la partie interne du disque d’accrétion, soit de jets de plasma relativistes.

L’équipe de recherche n’a pas découvert de preuves évidentes de la présence de jets provenant de l’événement AT2019dsg, et a plutôt suggéré qu’un refroidissement rapide du disque pourrait expliquer l’émission de rayons X.

Cependant, tout le monde n’est pas d’accord avec cette théorie. Une autre supposition est que l’émission proviendrait d’un jet qui a été rapidement obscurci par un nuage de débris. Jusqu’à présent, on ne sait pas exactement quel scénario est correct.

Une vidéo du Goddard Space Flight Center de la NASA montre à quoi aurait pu ressembler la perturbation de marée.

« Nous ne voyons peut-être ici que la pointe de l’iceberg », a déclaré le professeur Francis Halzen, chercheur à l’université du Wisconsin-Madison et chercheur principal d’IceCube, qui n’était pas directement impliqué dans l’étude. « À l’avenir, nous nous attendons à trouver beaucoup plus d’associations entre les neutrinos de haute énergie et leurs sources. »

La découverte a été publiée dans deux articles de la revue Nature Astronomy.

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