Une étoile déchirée

Comment un trou noir déchiquette une étoile qui s'approche trop, et illumine le cœur d'une galaxie

Étape par étape

Une étoile s'approche

Presque toutes les grandes galaxies abritent un trou noir géant en leur centre. Celui de la Voie lactée, Sagittarius A*, a quatre millions de fois la masse du Soleil ; celui-ci en a un million, ce qui est typique de ceux que l'on a surpris à déchirer des étoiles. Des étoiles grouillent autour de ces trous sur leurs propres orbites, et de temps en temps deux passent si près l'une de l'autre que l'une est projetée sur une trajectoire qui plonge droit vers le trou.

Le trou lui-même est petit pour sa masse. Son horizon des événements, la surface de l'intérieur de laquelle même la lumière ne ressort pas, est environ quatre fois plus large que le Soleil. Sa gravité courbe la lumière des étoiles situées derrière lui, c'est pourquoi le ciel semble déformé autour de son ombre noire.

L'anneau en pointillés est le rayon de marée. À l'extérieur, la propre gravité de l'étoile la maintient entière. À l'intérieur, rien ne le peut.

Étirée

Le trou attire plus fort la face proche de l'étoile que sa face éloignée. Près du rayon de marée, cette différence, la marée, devient aussi forte que la propre gravité de l'étoile, et l'étoile s'étire.

Les marées ne sont pas propres aux trous noirs. La Lune en soulève dans les océans de la Terre parce qu'elle attire plus fort la face de la Terre tournée vers elle. Ici, l'attraction varie si brutalement avec la distance que, sur la largeur d'une étoile, la différence l'emporte sur la propre gravité de l'étoile.

Les astronomes appellent cela la spaghettification, car tout ce qui tombe est étiré, long et mince. Pour un trou noir d'un million de soleils, une étoile comme le Soleil atteint ce point à environ 70 millions de km : la moitié de la distance de la Terre au Soleil, et encore bien loin de l'horizon.

Cela va vite. À des dizaines de milliers de kilomètres par seconde, l'étoile ne met qu'environ 18 minutes pour aller du rayon de marée à son point le plus proche.

Déchirée

Rien n'explose. L'étoile cesse simplement d'être une seule chose : son gaz garde la vitesse qu'il avait, mais chaque partie se trouve à une distance légèrement différente du trou, et suit donc une orbite légèrement différente. Aplatie en passant tout près, puis étirée, l'étoile devient un long et mince courant.

Le côté qui était le plus proche du trou va un peu trop lentement pour s'échapper, et lui est désormais lié. Le côté éloigné va un peu trop vite, et ne reviendra jamais. Cette petite différence décide de tout ce qui suit.

Les simulations informatiques montrent l'étoile entière se défaire en quelques heures.

Un fleuve de gaz

En quelques jours, le courant est plus long que la distance de la Terre au Soleil. Sa moitié liée, plus proche du trou, ralentit et retombera ; l'autre moitié s'éloigne pour toujours.

Le courant reste mince parce que sa propre gravité le retient sur les côtés, même quand il s'étire jusqu'à des milliers de fois la longueur de l'étoile. Son gaz se refroidit en s'étalant, si bien que le vrai courant est pâle. Les télescopes ne peuvent pas le voir, mais les simulations le suivent de près.

La façon dont le gaz se partage dépend de l'énergie emportée par chaque partie : plus elle était proche du trou dans l'étoile, plus elle est fortement liée. Le gaz le plus lié suit une orbite qui l'emmène à environ 46 fois la distance de la Terre au Soleil avant de faire demi-tour.

L'anneau en pointillés est l'orbite de la Terre, dessinée à la même échelle.

La moitié s'envole

Le gaz qui s'échappe emporte la moitié de la masse de l'étoile dans la galaxie. À des milliers de kilomètres par seconde, il dérivera entre les étoiles pendant des millions d'années : un mince arc de gaz qui fut un jour un soleil.

Le gaz lié suit de longues orbites étroites autour du trou, comme les comètes autour du Soleil. Le gaz qui était le plus proche du trou a l'orbite la plus courte et revient en premier ; le reste suit pendant des mois et des années, de moins en moins à la fois.

L'anneau en pointillés est l'orbite de Neptune, à l'échelle. Le courant dépasse vite de loin la taille de tout notre système planétaire.

Le retour

Avec la gravité de Newton, une orbite se referme sur elle-même. Près d'un trou noir, non : la théorie d'Einstein fait pivoter chaque orbite un peu plus loin, comme celle de Mercure autour du Soleil, mais ici d'environ 23 degrés à chaque tour au lieu d'un cheveu.

Le gaz qui vient de contourner le trou repart donc sur une ligne légèrement différente et percute le courant qui tombe encore, à environ 16 fois la distance de la Terre au Soleil. La collision chauffe le gaz et lui fait perdre de la vitesse, et peu à peu il se dépose en un disque chaud et tourbillonnant autour du trou.

La façon exacte dont le gaz qui revient forme un disque est encore à l'étude, avec certaines des plus grandes simulations de l'astronomie.

L'éruption

Les télescopes saisissent ces éruptions comme un brusque éclat au centre même d'une galaxie jusque-là calme. AT2019qiz, découvert en 2019 dans une galaxie située à 215 millions d'années-lumière, est le plus proche à ce jour ; la luminosité et la température de l'éruption montrées ici sont celles mesurées, mais son déroulement dans le temps est celui du modèle le plus simple.

Sa lumière visible provient d'un nuage de gaz chaud autour du trou, des dizaines de fois plus large que l'orbite de la Terre, projeté par l'éruption et éclairé de l'intérieur. Le disque lui-même, plus au centre, brille surtout en ultraviolet et en rayons X.

Près du trou, sa gravité courbe la lumière du disque, si bien que la face éloignée du disque apparaît au-dessus et au-dessous de l'ombre noire.

Le déclin

Chaque jour, il revient moins de gaz, si bien que l'éruption faiblit, comme le montre le graphique. En quelques années, elle a presque disparu, et le trou noir redevient calme.

Le gaz qui revient s'amenuise d'une manière qui découle du partage de l'énergie du courant : le débit décroît comme le temps à la puissance moins cinq tiers. La lumière de nombreuses éruptions faiblit exactement ainsi, l'un des signes les plus clairs qu'il s'agit bien d'étoiles déchirées.

Environ la moitié de l'étoile retombe. Une partie est avalée et une grande partie est de nouveau soufflée par la chaleur. Le trou gagne une fraction de soleil : presque rien pour un objet un million de fois plus lourd.

Dans une galaxie comme la nôtre, cela arrive environ une fois tous les 10 000 à 100 000 ans. Avec autant de galaxies à surveiller, les télescopes de relevé en trouvent désormais des dizaines par an, et l'observatoire Vera C. Rubin, au Chili, devrait en trouver des milliers.