Le mystère du trou noir du SS 433

L’auteur de science-fiction Arthur C. Clarke a sélectionné ses sept merveilles du monde dans une série télévisée de la BBC en 1997. Le seul objet astronomique qu’il a inclus était le SS 433. Il avait déjà attiré l’attention à la fin des années 1990. 1970 en raison de son X- émission de rayons ; On a découvert plus tard qu’elle se trouvait au centre d’une nébuleuse gazeuse, surnommée nébuleuse du lamantin en raison de sa forme unique semblable à celle de ces mammifères aquatiques.

SS 433 es un sistema estelar binario en el que un agujero negro, con una masa aproximadamente diez veces superior a la del Sol, y una estrella, con una masa similar pero que ocupa un volumen mucho mayor, orbitan entre sí con un periodo de 13 jours. Le champ gravitationnel intense du trou noir arrache la matière de la surface de l’étoile, qui s’accumule dans un disque de gaz chaud qui alimente le trou noir. Lorsque la matière tombe vers le trou noir, deux jets de particules chargées (plasma) jaillissent perpendiculairement au plan du disque, à un quart de la vitesse de la lumière.

Les jets du SS 433 sont visibles dans la gamme de longueurs d’onde allant de la radio aux rayons X, mais seulement très près de leur base. Après une distance de moins d’une année-lumière de chaque côté du système binaire central, les jets deviennent trop faibles pour être vus. Cependant, de manière surprenante, à environ 75 années-lumière de leur lieu d’origine, les jets réapparaissent brusquement sous la forme de sources lumineuses de rayons X. Les raisons de cette réapparition restent un mystère.

Des jets relativistes similaires sont également observés émanant des centres des galaxies actives (par exemple, les quasars), bien que ces jets soient beaucoup plus grands que les jets du SS 433. En raison de cette analogie, des objets comme le SS 433 sont classés comme microquasars.

Jusqu’à récemment, l’émission de rayons gamma d’un microquasar n’avait jamais été détectée. Mais cela a changé en 2018, lorsque le HAWC (High Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory), pour la première fois, a réussi à détecter des rayons gamma de très haute énergie provenant du SS 433. Cela signifie qu’à un moment donné dans les jets, les particules sont accélérée pour atteindre des énergies extrêmes. Malgré des décennies de recherche, on ne sait toujours pas comment et où les particules sont accélérées dans les jets astrophysiques.

L’étude des émissions de rayons gamma des microquasars offre un avantage crucial pour résoudre ce problème : alors que les jets du SS 433 sont 50 fois plus petits que ceux de la galaxie active la plus proche (Centaure A), le SS 433 se trouve à l’intérieur de la Voie Lactée, 1 000 fois plus proche de la Terre. . En étant plus proches, la taille apparente des jets SS 433 dans le ciel est beaucoup plus grande et, par conséquent, leurs propriétés sont plus faciles à étudier avec la génération actuelle de télescopes à rayons gamma.

Incité par la détection HAWC, l’observatoire HESS a lancé une campagne d’observation du système SS 433. Cette campagne a abouti à environ 200 heures de données et à une détection claire de l’émission de rayons gamma des jets du SS 433. La meilleure résolution angulaire du Les télescopes HESS, comparés aux mesures précédentes, ont permis aux chercheurs de déterminer pour la première fois l’origine de l’émission de rayons gamma au sein des jets, donnant des résultats intrigants :

Bien qu’aucune émission de rayons gamma ne soit détectée dans la région binaire centrale, dans la partie externe des jets, l’émission apparaît brusquement à une distance d’environ 75 années-lumière de chaque côté de l’étoile binaire, ce qui coïncide avec les observations précédentes. .

Cependant, ce qui a le plus surpris les astronomes a été un changement dans la position de l’émission des rayons gamma lorsqu’elle est observée à différentes énergies.

Les photons gamma ayant les énergies les plus élevées, supérieures à 10 téraélectronvolts, ne sont détectés qu’au point où les jets réapparaissent brusquement. En revanche, des régions émettant des rayons gamma avec des énergies plus faibles apparaissent plus loin le long de chaque jet.

“C’est la première fois qu’une morphologie dépendante de l’énergie est observée dans l’émission de rayons gamma d’un jet astrophysique”, explique Laura Olivera-Nieto de l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg, en Allemagne, qui a dirigé l’étude. HESS du SS 433 dans le cadre de sa thèse de doctorat. “Ces découvertes nous ont vraiment laissé perplexes, car la concentration de photons à haute énergie sur le site de réapparition du jet suggère un mécanisme d’accélération très efficace dont la nature était jusqu’à présent inconnue.”

Les scientifiques ont effectué une simulation de la dépendance énergétique observée dans l’émission de rayons gamma et ont réussi à estimer pour la première fois la vitesse à laquelle les jets extérieurs se déplacent. La différence entre cette vitesse et celle avec laquelle les jets sont lancés suggère que le mécanisme qui a accéléré les particules vers l’extérieur est un phénomène appelé « choc fort » : une transition brutale dans les propriétés du milieu. La présence d’un choc fournirait également une explication naturelle au mystère de la réapparition des jets comme sources de rayons X, puisque les électrons accélérés produisent également des rayonnements X.

“Lorsque ces particules rapides entrent en collision avec une particule lumineuse (photon), elles transfèrent une partie de leur énergie, et c’est ainsi qu’elles produisent les photons gamma de haute énergie observés avec HESS. Ce processus est appelé effet Compton inverse”, explique Brian Reville. , responsable du groupe Théorie astrophysique des plasmas HESS.MPIK.

“Il y a eu beaucoup de spéculations sur l’accélération des particules dans ce système unique, mais ce n’est plus le cas : les résultats HESS déterminent l’emplacement de l’accélération, la nature des particules accélérées, et permettent de caractériser le mouvement du jets à grande échelle lancés par le trou noir”, explique Jim Hinton, directeur de l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg et chef du département d’astrophysique non thermique.

“Il y a quelques années à peine, il était impensable que les mesures des rayons gamma au sol puissent fournir des informations sur la dynamique interne d’un tel système”, ajoute la co-auteure Michelle Tsirou, chercheuse postdoctorale au Synchrotron électronique allemand (DESY). acronyme en allemand).

On ne sait cependant rien de l’origine des chocs aux endroits où l’avion réapparaît. “Nous ne disposons toujours pas d’un modèle capable d’expliquer de manière uniforme toutes les propriétés du jet, puisqu’aucun modèle n’a encore prédit la présence de ces chocs”, explique Olivera-Nieto. Il souhaite désormais se consacrer à cette tâche, un objectif qui en vaut la peine, puisque la relative proximité du SS 433 avec la Terre offre une opportunité unique d’étudier l’émergence de l’accélération des particules dans les jets relativistes. On espère que les résultats pourront être transposés aux jets mille fois plus grands de galaxies actives et de quasars, ce qui contribuerait à résoudre les nombreuses énigmes liées à l’origine des rayons cosmiques les plus énergétiques.

En vert, les observations radio révèlent la nébuleuse du lamantin avec le microquasar visible comme un point lumineux près du centre de l’image. Les lignes pleines montrent le contour de l’émission de rayons X des régions centrales et des jets à grande échelle après leur réapparition. Los colores rojos representan la emisión de rayos gamma detectada por HESS a energías a) bajas (0,8-2,5 TeV, izquierda), b) intermedias (2,5-10 TeV, centro) yc) altas (>10 TeV , droite). La position de l’émission de rayons gamma s’éloigne du microquasar à mesure que l’énergie diminue. (Images : Golap, M. Goss ; NASA Wide Field Survey Explorer (WISE) ; Rayons X (contours verts) : ROSAT / M. Brinkmann ; TeV (couleurs rouges) : Collaboration HESS)

L’observatoire HESS

Les rayons gamma à haute énergie ne peuvent être observés depuis le sol qu’avec une astuce. Lorsqu’un rayon gamma pénètre dans l’atmosphère, il entre en collision avec des atomes et des molécules et génère de nouvelles particules qui se précipitent vers le sol comme une avalanche. Ces particules émettent des éclairs qui ne durent que quelques milliardièmes de seconde (rayonnement Tcherenkov), observables avec de grands télescopes spécialement équipés. L’astronomie gamma de haute énergie utilise ainsi l’atmosphère comme un écran fluorescent géant. L’observatoire HESS, situé en Namibie, à 1 835 mètres d’altitude, est officiellement devenu opérationnel en 2002. Il se compose d’un ensemble de cinq télescopes. Quatre télescopes dotés de miroirs de 12 mètres de diamètre sont situés aux coins d’un carré, avec un autre télescope de 28 mètres au centre. Les télescopes sont capables de détecter un rayonnement gamma cosmique compris entre quelques dizaines de gigaélectronvolts (GeV, 10^9 électronvolts) et quelques dizaines de téraélectronvolts (TeV, 10^12 électronvolts). À titre de comparaison : les particules de lumière visible que les humains observent ont des énergies de deux à trois électrons-volts. HESS est actuellement le seul instrument capable de détecter les rayons gamma de haute énergie provenant de la partie du ciel visible depuis l’hémisphère sud et constitue également le système de télescope le plus grand et le plus sensible de sa catégorie.

L’étude s’intitule « Accélération et transport d’électrons relativistes dans les jets du microquasar SS 433 ». Et cela a été publié dans la revue académique Science. (Source : Max-Planck-Institut Fur Kernphysik)