Un trou noir en orbite à côté – « complètement inattendu »

Des chercheurs de l’Université de Turku en Finlande ont découvert que l’axe de rotation d’un[{ » attribute= » »>black hole in a binary system is tilted more than 40 degrees relative to the axis of stellar orbit. The finding challenges current theoretical models of black hole formation.

The observation by the researchers from Tuorla Observatory in Finland is the first reliable measurement that shows a large difference between the axis of rotation of a black hole and the axis of a binary system orbit. The difference between the axes measured by the researchers in a binary star system called MAXI J1820+070 was more than 40 degrees.

Artist impression of the X-ray binary system MAXI J1820+070 containing a black hole (small black dot at the center of the gaseous disk) and a companion star. A narrow jet is directed along the black hole spin axis, which is strongly misaligned from the rotation axis of the orbit. Image produced with Binsim. Credit: R. Hynes

Often for the space systems with smaller objects orbiting around the central massive body, the own rotation axis of this body is to a high degree aligned with the rotation axis of its satellites. This is true also for our solar system: the planets orbit around the Sun in a plane, which roughly coincides with the equatorial plane of the Sun. The inclination of the Sun rotation axis with respect to orbital axis of the Earth is only seven degrees.

“The expectation of alignment, to a large degree, does not hold for the bizarre objects such as black hole X-ray binaries. The black holes in these systems were formed as a result of a cosmic cataclysm – the collapse of a massive star. Now we see the black hole dragging matter from the nearby, lighter companion star orbiting around it. We see bright optical and X-ray radiation as the last sigh of the infalling material, and also radio emission from the relativistic jets expelled from the system,” says Juri Poutanen, Professor of Astronomy at the University of Turku and the lead author of the publication. 

Vue d’artiste du système binaire à rayons X MAXI J1820 + 070 qui contient un trou noir (un petit point noir au centre du disque gazeux) et une étoile compagne. Un jet étroit est dirigé le long de l’axe de rotation du trou noir, qui est fortement dévié de l’axe de rotation de l’orbite. L’image a été produite avec une brise. Crédit : R. Hynes

En suivant ces jets, les chercheurs ont pu déterminer très précisément la direction de l’axe de rotation du trou noir. Lorsque la quantité de gaz tombant de l’étoile compagne dans le trou noir a ensuite commencé à diminuer, la température du système s’est refroidie et une grande partie de la lumière du système provenait de l’étoile compagne. De cette façon, les chercheurs ont pu mesurer l’inclinaison de l’orbite à l’aide de techniques spectroscopiques, ce qui coïncidait à peu près avec l’inclinaison de la balistique.

« Pour déterminer l’orientation 3D de l’orbite, il faut également connaître l’angle de position du système dans le ciel, c’est-à-dire la façon dont le système tourne par rapport à la direction nord dans le ciel. Cela a été mesuré à l’aide de techniques de polarimétrie », explique Juri Potanin.

Les résultats publiés dans Science ouvrent des perspectives intéressantes vers l’étude de la formation des trous noirs et de l’évolution de ces systèmes, car un tel déséquilibre extrême est difficile à obtenir dans de nombreux scénarios de formation de trous noirs et d’évolution binaire.

La différence de plus de 40 degrés entre l’axe orbital et la rotation du trou noir était complètement inattendue. Les scientifiques ont souvent supposé que cette différence était très faible lorsqu’ils ont modélisé le comportement de la matière dans un espace-temps courbe autour d’un trou noir. Les modèles existants sont déjà complexes, et maintenant les nouvelles découvertes nous obligent à y ajouter une nouvelle dimension », déclare Potanin.

Référence : « Déséquilibre de rotation du trou noir orbite-orbite dans la binaire à rayons X MAXI J1820 + 070 » par Guri Potanin, Alexandra Veledina, Andrei V Berdyugina, Svetlana V Berdyugina, Helen Germak, Peter J. Juncker, Gary JE Kagava, Ilya Kozenkov, Vadim Kravtsov Filippo Perola, Manisha Shrestha, Manuel A. Perez-Torres et Serge S. Tsygankov, 24 février 2022 Disponible ici. à savoir.
DOI : 10.1126 / science.abl4679

Le principal résultat a été obtenu à l’aide du polarimètre DIPol-UF construit en interne installé dans le télescope optique du Nord, détenu conjointement par l’Université de Turku avec Université d’Aarhus au Danemark.