L'Einstein Probe découvre un rare trou noir de masse intermédiaire

Qu'est-ce qu'un trou noir de masse intermédiaire ?

Un trou noir de masse intermédiaire (IMBH) est un objet cosmique dont la masse varie de 100 à 100 000 masses solaires, comblant ainsi le fossé évolutif entre les trous noirs de masse stellaire et les trous noirs supermassifs. Ces « chaînons manquants » sont nettement plus rares que leurs homologues et sont généralement recherchés dans les amas d'étoiles denses ou à la périphérie de galaxies lointaines.

La découverte d'EP250702a le 2 juillet 2025, par la mission Einstein Probe dirigée par la Chine, représente un moment charnière de l'astrophysique des hautes énergies. Lors d'un relevé de routine du ciel, le Wide-field X-ray Telescope (WXT) de la mission a détecté une source de rayons X à variation rapide qui présentait des caractéristiques dépassant de loin les phénomènes cosmiques ordinaires. Cet événement, corroboré par la suite par le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA, a signalé la destruction violente d'une étoile naine blanche par un IMBH, un phénomène connu sous le nom d'événement de rupture par effet de marée (TDE, pour tidal disruption event).

Qu'est-ce qui rend le télescope spatial Einstein Probe unique ?

L'Einstein Probe est unique en raison de son optique innovante en « œil de homard », qui permet à son télescope à rayons X à grand champ de surveiller simultanément de vastes zones du ciel avec une sensibilité élevée. Cette capacité permet la détection de transitoires de rayons X imprévisibles et à évolution rapide, fournissant les coordonnées précises nécessaires aux observations de suivi mondiales sur plusieurs longueurs d'onde.

Le scientifique de la mission, le professeur Weimin Yuan des Observatoires astronomiques nationaux de Chine (NAOC), a souligné que le satellite a été spécifiquement conçu pour capturer ces moments extrêmes. En fournissant des données en temps réel sur des événements éphémères, l'Einstein Probe permet aux équipes internationales de mobiliser rapidement des ressources au sol et dans l'espace. Dans le cas d'EP250702a, le Follow-up X-ray Telescope (FXT) a suivi la source pendant 20 jours, observant une chute de luminosité d'un facteur supérieur à 100 000 à mesure que l'émission passait des rayons X « durs » aux rayons X « mous ».

Quelle est la différence entre les trous noirs de masse intermédiaire et les trous noirs supermassifs ?

La différence entre les trous noirs de masse intermédiaire et les trous noirs supermassifs réside dans leur masse totale et leur distribution galactique ; les IMBH pèsent entre 100 et 100 000 Soleils, tandis que les trous noirs supermassifs dépassent les 100 000 à plusieurs milliards de masses solaires. Alors que les variantes supermassives ancrent le centre des grandes galaxies, les IMBH se trouvent souvent dans des emplacements excentrés ou dans des environnements stellaires plus restreints.

L'analyse d'EP250702a a situé l'éruption à la périphérie d'une galaxie lointaine, plutôt que dans son noyau. Cette position excentrée est une signature critique d'un trou noir de masse intermédiaire, car les trous noirs supermassifs occupent presque exclusivement le puits gravitationnel central de leurs galaxies hôtes. La luminosité même de l'éruption, culminant à environ 3 x 10^49 erg par seconde, a davantage distingué cet événement des transitoires de trous noirs de masse stellaire plus courants, le marquant comme une rare éruption de haute énergie.

La mécanique d'un événement de rupture par effet de marée

Un événement de rupture par effet de marée se produit lorsqu'une étoile s'approche trop près de l'horizon des événements d'un trou noir et est déchirée par les forces de marée. Dans cette rencontre spécifique, la densité extrême d'une naine blanche a nécessité l'immense attraction gravitationnelle d'un IMBH pour initier le processus de déchiquetage. À mesure que la matière stellaire était attirée vers l'intérieur, elle a formé un disque d'accrétion, générant un jet relativiste qui a produit les signaux intenses de rayons gamma et de rayons X observés par les télescopes Einstein Probe et Fermi.

Des simulations informatiques menées par le Dr Jinhong Chen, chercheur postdoctoral à l'Université de Hong Kong (HKU), ont confirmé ce modèle. En appliquant la physique numérique aux données d'observation, l'équipe a démontré que la production d'énergie et les échelles de temps évolutives étaient tout à fait cohérentes avec une naine blanche consumée par un IMBH. Cette recherche suggère que le jet qui en a résulté était responsable de l'émission de haute énergie qui a initialement déclenché l'alerte astronomique mondiale.

Recherche collaborative et expertise scientifique

L'interprétation de cet événement rare est le résultat d'une vaste collaboration internationale impliquant plus de 300 scientifiques de 40 institutions. Des contributions clés sont venues du Département de physique de HKU et de l'Institut d'astronomie et d'astrophysique de Hong Kong. La professeure Lixin Dai, co-auteur correspondant de HKU, a noté que le modèle naine blanche-IMBH reste l'explication la plus naturelle pour l'ensemble unique de données recueillies au cours de la fenêtre d'observation de 20 jours.

• Chercheurs principaux : Scientifiques de HKU, du NAOC et de l'Institut Max Planck.
• Institutions clés : Université de science et technologie de Chine, ESA et Centre National d'Études Spatiales (CNES).
• Sources de données : Flux intégrés provenant de télescopes à rayons X, à rayons gamma et optiques au sol.

Implications pour l'astrophysique moderne

L'identification d'un IMBH par le biais d'un événement de rupture par effet de marée fournit une preuve directe d'une population de trous noirs qui a longtemps échappé à une détection définitive. Cette découverte aide à combler l'« écart de masse » dans le recensement des trous noirs, offrant de nouvelles perspectives sur la façon dont ces objets passent de graines de masse stellaire à des entités gargantuesques de trous noirs situées au centre de galaxies comme la Voie lactée. Elle offre également un laboratoire pour étudier le destin ultime des étoiles compactes et la physique des jets relativistes.

Les recherches futures se concentreront sur l'analyse de la transition de l'émission des rayons X durs aux rayons X mous, ce qui fournit une feuille de route pour le processus d'accrétion. Le professeur Bing Zhang, directeur de l'Institut d'astronomie et d'astrophysique de Hong Kong, a souligné que cette découverte souligne la valeur de la coopération internationale pour s'attaquer aux problèmes de pointe. Alors que l'Einstein Probe poursuit sa surveillance, les astronomes s'attendent à trouver d'autres exemples comme EP250702a, éclairant davantage les recoins sombres et violents de l'univers en évolution.