Les rayons X polarisés révèlent la forme et l’orientation de la matière superchaude autour du trou noir

Des observations récentes par des chercheurs du trou noir de masse stellaire Cygnus X-1 révèlent de nouveaux détails sur la configuration de la matière superchaude dans la région entourant immédiatement le trou noir.

La matière attirée vers le trou noir est chauffée à des millions de degrés. Cette matière chaude brille dans les rayons X. Les chercheurs utilisent ces mesures de polarisation des rayons X pour tester et affiner les modèles qui décrivent comment les trous noirs absorbent la matière et deviennent les sources de lumière les plus brillantes de l’univers, y compris les rayons X.

Nouvelles mesures de Cygnus X-1 publiées en ligne par la revue La science Le jeudi 3 novembre représente les premières observations d’un trou noir massif en accrétion de la mission Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE), une collaboration internationale entre la NASA et l’Agence spatiale italienne (ASI). Cygnus X-1 est l’une des sources d’émission de rayons X les plus brillantes de notre galaxie, consistant en un trou noir de 21 masses solaires avec une orbite de 41 masses solaires.

“Les précédentes observations de rayons X de trous noirs n’ont mesuré que la direction d’arrivée, l’heure d’arrivée et l’énergie des rayons X passant du plasma chaud aux trous noirs”, a déclaré l’auteur principal Henrik Krawczynski, professeur Wayman Crow de physique dans les arts et les sciences. à l’Université de Washington à St. Louis et à la faculté du McDonnell Space Science Center de l’université. “IXPE mesure également la polarisation linéaire, qui contient des informations sur la façon dont les rayons X sont diffusés et diffusés par le matériau près du trou noir, et d’où ils sont diffusés.”

Aucune lumière, pas même les rayons X, ne peut s’échapper à travers l’horizon des événements d’un trou noir. Les rayons X détectés par IXPE sont émis par la matière chaude, ou plasma, dans une région de 2000 km de diamètre entourant l’horizon des événements de 60 km de diamètre du trou noir.

La combinaison des données IXPE avec des observations parallèles des observatoires à rayons X NICER et NuSTAR de la NASA en mai et juin 2022 a permis aux auteurs de contraindre la géométrie du plasma, c’est-à-dire sa forme et son emplacement.

Les chercheurs ont découvert que le plasma s’étendait perpendiculairement au flux ou jet de plasma bilatéral en forme de crayon. L’alignement de la polarisation des rayons X et de la direction du jet soutient fortement l’hypothèse selon laquelle les processus dans la région brillante des rayons X près du trou noir jouent un rôle crucial dans l’éjection du jet.

Les observations sont cohérentes avec les modèles qui prédisent qu’une couronne de plasma chaud déplace un disque de matière en spirale vers le trou noir ou déplace l’intérieur du disque. Les nouvelles données de polarisation excluent les modèles dans lesquels la couronne du trou noir est une colonne ou un cône de plasma étroit le long de l’axe du jet.

Une meilleure compréhension de la géométrie du plasma autour d’un trou noir pourrait révéler beaucoup de choses sur le fonctionnement interne des trous noirs et sur la façon dont ils accumulent de la masse, ont noté les scientifiques.

“Ces nouvelles connaissances permettront d’améliorer les études par rayons X sur la façon dont la gravité plie l’espace et le temps à proximité des trous noirs”, a déclaré Krawczynski.

“Les observations de l’IXPE ont révélé que le flux d’accrétion semble être plus éloigné qu’on ne le pensait auparavant”, a déclaré le co-auteur Michal Dovčiak de l’Institut d’astronomie de l’Académie tchèque des sciences, en particulier en ce qui concerne le trou noir Cygnus X-1.

“Cela pourrait être la signature d’un désalignement entre le plan équatorial du trou noir et le plan orbital du binaire”, ou le duo jumelé du trou noir et de son étoile compagne, a expliqué la co-auteure Alexandra Veledina de l’Université de Turku. . . “Le système a peut-être acquis ce désalignement lorsque l’étoile progénitrice du trou noir a explosé.”

“La mission IXPE utilise des miroirs à rayons X développés au Marshall Space Flight Center de la NASA et des instruments de plan focal fournis par une collaboration entre l’ASI, l’Institut national d’astrophysique (INAF) et l’Institut national de physique nucléaire”, a déclaré le co-auteur Fabio. Muléri. INAF-IAPS. “En plus de Cygnus X-1, IXPE est utilisé pour étudier un large éventail de sources de rayons X extrêmes, y compris des étoiles à neutrons à accrétion massive, des pulsars et des nébuleuses de vent pulsar, des restes de supernova, notre centre galactique et des noyaux galactiques actifs. Nous avons trouvé beaucoup de surprises. et nous nous amusons beaucoup.”

Un deuxième article dans le même numéro de Science décrit la détection IXPE des rayons X hautement polarisés du magnétar 4U 0142 + 61, dirigé par Roberto Taverna de l’Université de Padoue.

“Nous sommes très heureux de faire partie de cette nouvelle vague de découvertes scientifiques en astrophysique”, a déclaré Krawczynski.

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