Des astronomes chinois découvrent des preuves spectrales qu’un trou noir a déchiré deux fois la même étoile

Deux sursauts révèlent une étoile qui a survécu

Une étoile semble avoir survécu à un passage rapproché près d’un trou noir supermassif, avant de revenir et de perdre davantage de matière. Des astronomes de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) ont identifié cet événement récurrent, AT 2022dbl, après une nouvelle hausse de sa luminosité en janvier 2024. Leur indice le plus probant était la forte similitude entre la lumière émise lors de ses deux sursauts.

Les résultats ont été publiés le 9 août 2024 dans The Astrophysical Journal Letters. Dans son communiqué de recherche, l’USTC a présenté AT 2022dbl comme le premier événement récurrent de disruption partielle par effet de marée confirmé par spectroscopie, c’est-à-dire par l’étude de la lumière décomposée en ses différentes longueurs d’onde.

Un événement de disruption par effet de marée, ou TDE, se produit lorsqu’une étoile passe suffisamment près d’un trou noir massif pour que la gravité lui arrache de la matière. Celle-ci produit un sursaut lumineux en se dirigeant vers le trou noir. Lors d’une disruption partielle, une partie de l’étoile survit, ce qui rend possible un nouveau passage rapproché.

AT 2022dbl est important, car les chercheurs ne se sont pas contentés d’observer un objet s’illuminer deux fois. Les deux sursauts présentaient des caractéristiques d’émission très similaires, notamment celles associées à l’azote. Ces caractéristiques étayent la conclusion de l’équipe selon laquelle la matière impliquée dans les deux épisodes provenait très probablement de la même étoile.

Cette découverte pourrait aussi changer la façon dont les astronomes interprètent les disruptions stellaires apparemment ordinaires. Selon l’équipe, chacun des sursauts d’AT 2022dbl ressemblait à un TDE classique lorsqu’il était étudié isolément. Le suivi de l’objet dans le temps a révélé une histoire plus complexe : une étoile qui semble perdre de la matière lors de passages successifs, plutôt que de disparaître au cours d’un seul événement.

Comment un trou noir peut dépouiller une étoile

Un trou noir exerce une attraction plus forte sur la face d’une étoile proche qui lui fait face que sur sa face opposée. Lorsque cette différence devient suffisamment importante, elle étire l’étoile et peut lui arracher de la matière. Cette différence d’attraction gravitationnelle constitue la force de marée à l’origine du nom de l’événement.

Le terme « accrétion » désigne l’accumulation de matière autour d’un objet et son mouvement vers celui-ci sous l’effet de la gravité. Lors d’un TDE, les débris stellaires s’échauffent et émettent des rayonnements au cours de ce processus. Les astronomes détectent alors le sursaut qui en résulte, ce qui leur permet d’étudier un phénomène se produisant bien au-delà de ce qu’ils peuvent observer directement.

L’USTC explique qu’un TDE classique voit sa luminosité augmenter rapidement pendant plusieurs dizaines de jours, puis diminuer au fil des mois ou des années. Une disruption partielle peut suivre une évolution similaire. Sa particularité tient à l’étoile qui survit et peut rester sur une orbite la ramenant près du trou noir.

Pour AT 2022dbl, les chercheurs interprètent le nouveau sursaut et la similitude des spectres comme la preuve de ce processus récurrent. La lumière renseigne sur la matière arrachée, tandis que le retour de l’éclat indique que l’activité a repris.

Pourquoi la similitude des spectres est importante

Un spectre décompose la lumière en fonction de sa longueur d’onde, à la manière d’un prisme qui sépare la lumière visible en différentes couleurs. Les atomes et les ions produisent des caractéristiques à des longueurs d’onde précises. Les astronomes s’en servent pour étudier la composition et les conditions physiques de la matière qui émet la lumière.

Les deux sursauts d’AT 2022dbl présentaient des caractéristiques de raies d’émission extrêmement similaires. L’USTC a mis en avant des indices révélant une abondance inhabituellement élevée d’éléments associés aux réactions nucléaires au cœur des étoiles. Parmi les caractéristiques concordantes figuraient des raies d’émission de N III, produites par des atomes d’azote ayant perdu deux électrons.

L’équipe de recherche a interprété cette ressemblance chimique comme un indice essentiel que les deux épisodes impliquaient de la matière provenant de la même étoile. Son raisonnement relie la reprise de l’activité à la composition révélée par la lumière : l’objet a connu un nouveau sursaut, dont l’émission présentait une signature chimique très similaire.

Les candidats antérieurs à une disruption récurrente par effet de marée étaient principalement étayés par des courbes de lumière, qui représentent l’évolution de la luminosité dans le temps. L’USTC indique que ces cas ne disposaient pas d’indices aussi solides au-delà de la variation de leur luminosité et n’avaient pas été largement reconnus. AT 2022dbl apporte une comparaison spectrale entre les sursauts, renforçant les bases observationnelles de l’hypothèse d’une disruption partielle récurrente.

Comment le deuxième sursaut a été détecté

L’équipe de l’USTC mettait régulièrement à jour les courbes de lumière d’événements connus de disruption par effet de marée, à la recherche d’une reprise de l’activité. Ce suivi régulier lui a permis de repérer la hausse de luminosité d’AT 2022dbl en janvier 2024 et d’organiser des observations alors que le nouveau sursaut était encore en cours de développement.

Les chercheurs ont lancé un suivi avec le satellite Swift et le réseau de télescopes du Las Cumbres Observatory Global Telescope, connu sous le nom de LCOGT. Ces observations ont mesuré l’événement dans plusieurs bandes de longueur d’onde, fournissant à l’équipe un relevé plus complet de l’évolution de son rayonnement qu’une seule bande n’aurait permis.

Les chercheurs ont également obtenu un spectre précoce de grande qualité avec le télescope Hale, appelé P200, à l’observatoire Palomar, aux États-Unis. Ce spectre a contribué à identifier le nouvel épisode comme un événement de disruption par effet de marée et a rendu possible la comparaison déterminante avec le premier sursaut.

Les principales étapes ont été les suivantes :

• Janvier 2024 : l’équipe détecte une nouvelle hausse de luminosité d’AT 2022dbl et lance des observations avec Swift, le LCOGT et le télescope Hale de Palomar.
• 9 août 2024 : l’étude est publiée dans The Astrophysical Journal Letters sous le titre The Unluckiest Star: A Spectroscopically Confirmed Repeated Partial Tidal Disruption Event AT 2022dbl.

La détection précoce de la reprise était importante, car un sursaut évolue au fil du temps. Des observations rapides ont permis aux chercheurs d’obtenir un spectre au début du deuxième épisode, ainsi que des mesures de l’évolution de sa luminosité.

Une origine possible dans un système d’étoiles doubles

Les chercheurs avancent que l’étoile survivante appartenait peut-être à l’origine à un système binaire, c’est-à-dire à deux étoiles en orbite l’une autour de l’autre. Un passage rapproché près du trou noir aurait pu séparer les deux astres et laisser l’un d’eux lié au trou noir.

Dans ce scénario, l’étoile capturée suit une orbite elliptique à très forte excentricité. L’excentricité décrit l’allongement d’une orbite : sur une orbite presque circulaire, un objet reste à une distance relativement constante, tandis qu’une orbite très allongée l’en éloigne beaucoup plus avant de le ramener près du trou noir.

Chaque passage rapproché pourrait alors soumettre l’étoile à de fortes forces de marée, lui arracher davantage de matière et provoquer un nouveau sursaut. Ce scénario explique comment une étoile pourrait survivre à une première rencontre, puis revenir et perdre à nouveau de la matière.

L’origine binaire et l’orbite proposée restent des interprétations des observations par l’équipe. Le communiqué ne donne aucune date confirmée pour un prochain sursaut. Un suivi continu permettrait aux astronomes de rechercher une nouvelle activité et de comparer tout futur épisode aux deux premiers.

Ce que cela change pour l’étude des disruptions stellaires

AT 2022dbl pose un problème concret aux astronomes qui classent ces événements : un sursaut provoqué par une disruption partielle peut ressembler à celui d’un TDE classique. Les chercheurs indiquent que, pris isolément, les deux épisodes étaient impossibles à distinguer des événements habituels.

Les études qui n’observent qu’un seul sursaut peuvent donc classer parmi les étoiles ayant subi une disruption unique des étoiles qui ont survécu. L’USTC indique que les recherches sur les TDE optiques ont largement négligé les disruptions partielles récurrentes, alors que cette découverte laisse penser que ces événements pourraient être plus fréquents qu’on ne le supposait.

Cette distinction compte lorsqu’il s’agit de dénombrer les événements et d’étudier la façon dont les étoiles perdent de la matière près des trous noirs. Une population comprenant des étoiles qui reviennent à plusieurs reprises n’a pas la même histoire qu’une population où chaque sursaut correspond au dernier passage d’une étoile différente. AT 2022dbl fournit aux chercheurs un cas concret à examiner pour réévaluer ces décomptes et les modèles physiques.

La stratégie d’observation est tout aussi importante. Le suivi régulier d’objets connus peut révéler une activité qui échapperait à une simple observation de découverte. Dans ce cas, l’association de mesures continues de la luminosité, d’une réaction rapide et de la spectroscopie a fourni les éléments de preuve essentiels.

L’équipe et la recherche d’autres exemples

Le premier auteur de l’article est Zheyu Lin, doctorant à l’USTC, qui travaille sous la direction conjointe du professeur Xu Kong et du chercheur associé Ning Jiang. Jiang, le professeur Tinggui Wang et Kong sont les auteurs correspondants. Parmi les établissements partenaires figurent les Observatoires astronomiques nationaux de l’Académie chinoise des sciences, l’université de Wuhan, l’université d’Hiroshima, l’université de Kyoto et l’Institut indien d’astrophysique.

Le projet a bénéficié du soutien d’organismes tels que la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, le ministère des Sciences et des Technologies, l’Académie chinoise des sciences, le programme chinois de vols spatiaux habités, la fondation Tang et les autorités de la province de l’Anhui.

Les chercheurs comptent utiliser le télescope d’étude à grand champ, ou WFST, également appelé télescope d’étude Mozi, pour trouver d’autres événements comme AT 2022dbl. L’USTC et l’observatoire de la Montagne Pourpre ont développé ce télescope conjointement, et les événements de disruption par effet de marée figurent parmi ses principaux objectifs scientifiques.

La découverte d’autres exemples fournirait aux astronomes davantage d’étoiles et de sursauts à comparer. AT 2022dbl montre l’intérêt de combiner la recherche de nouveaux événements avec le suivi des objets déjà connus : un objet dont la luminosité a diminué peut encore connaître un autre épisode observable.

Points clés

• Des chercheurs de l’USTC ont détecté une nouvelle hausse de luminosité d’AT 2022dbl en janvier 2024.
• La similitude des spectres de deux sursauts étaye la conclusion qu’un trou noir a arraché deux fois de la matière à la même étoile.
• L’équipe présente cet événement comme le premier cas de disruption partielle récurrente par effet de marée confirmé par spectroscopie.
• Swift, le LCOGT et le télescope Hale de Palomar ont fourni des observations du deuxième sursaut.
• L’étude a été publiée le 9 août 2024 dans The Astrophysical Journal Letters.
• Les chercheurs proposent qu’une étoile capturée suive une orbite allongée et prévoient de rechercher d’autres exemples avec le WFST.