À des milliards d’années-lumière de la Terre, une étrange source de rayons X ultra-lumineux brille des millions de fois plus fort que le Soleil, violant une loi physique appelée la limite d’Eddington. Comment expliquer ce phénomène ?
La limite d’Eddington
Les sources de rayons X ultra-lumineuses (ULX) sont des objets qui émettent des niveaux extrêmement élevés de rayons X. Ces objets intriguent les astrophysiciens depuis des années. Et pour cause : ils produisent environ dix millions de fois plus d’énergie que le Soleil, au point de sembler dépasser une limite physique appelée la Limite d’Eddington.
Nommé d’après l’astrophysicien Sir Arthur Eddington, il s’agit d’une mesure théorique de la taux maximal d’accrétion de matière pour un objet céleste compact. Elle est déterminée par un équilibre entre deux forces opposées : la force gravitationnellequi attire la matière vers l’objet compact, et le pression de radiation qui repousse la matière.
La pression de radiation est générée par la lumière et d’autres formes de radiation émises par le disque d’accrétion entourant l’objet compact. Lorsque la matière tombe sur l’objet, elle se réchauffe et émet un rayonnement. Si le taux d’accrétion est trop élevé, la pression de radiation devient suffisamment forte pour contrecarrer la force gravitationnelle et empêcher la matière de tomber sur l’objet. À ce stade, le taux d’accrétion atteint la limite d’Eddington.
Ce qui interroge les chercheurs c’est que ces fameux ULX dépassent régulièrement cette limite de 100 à 500 fois.
Cela étant dit, les chercheurs de la NASA ont examiné l’un de ces objets pour tenter d’en savoir plus. Pour ce faire, ils ont utilisé le réseau de télescopes nucléaires spectroscopiques NuSTAR. Les travaux, publiés dans The Astrophysical Journal, ont confirmé que cet ULX particulier, appelé M82 X-2situé à environ neuf milliards d’années-lumièreétait définitivement trop brillant. En d’autres termes, il défie définitivement la limite d’Eddington.
Une étoile à neutrons
On pense que la plupart des ULX sont le résultat de l’accrétion de matière par des trous noirs de masse intermédiaire. Dans ces systèmes binaires, une étoile compagne perd de la matière qui est ensuite attirée par le trou noir, créant un disque d’accrétion autour d’elle. Une autre possibilité est que les ULX soient des systèmes binaires composés d’un étoile à neutrons et une étoile compagneC’est l’idée privilégiée ici.
Comme les trous noirs, les étoiles à neutrons se forment lorsqu’une étoile massive meurt et s’effondre sur elle-même, regroupant plusieurs masses solaires dans une zone à peine plus grande qu’une ville de taille moyenne. Cette densité incroyable crée une attraction gravitationnelle intense à la surface de l’étoile. Dans le cas d’un système binaire (deux objets), ces restes stellaires siphonnent alors de la matière de leur étoile compagnon. Les gaz et autres matériaux emportés par cette gravité accélèrent jusqu’à des millions de kilomètres par heure, libérant une énergie incroyable lorsqu’ils frappent la surface de l’étoile à neutrons. Ce phénomène produit alors une lumière X de haute énergie détectable depuis la Terre.
Dans le cadre de ces travaux, les chercheurs ont déterminé que M82 X-2 volait à environ neuf milliards de milliards de tonnes de matière par an vers une étoile voisine. Pour mieux comprendre le phénomène, notons que cela équivaut à 1,5 Terre. Connaissant la quantité de matière frappant la surface de l’étoile à neutrons, les chercheurs ont ensuite pu estimer la luminosité de cet objet.
Mais alors, comment expliquer le dépassement de la limite d’Eddington ? L’hypothèse soutenue ici suggère que champs magnétiques puissants déformerait les atomes de la matière engloutie, les faisant passer d’une forme à peu près sphérique à une forme allongée et filandreuse. Cela réduirait la capacité des photons à repousser les atomes, augmentant ainsi la luminosité maximale possible d’un objet.
En conclusion, les sources de rayons X ultralumineuses (ULX) telles que M82 X-2 remettent en question notre compréhension actuelle des limites astrophysiques, notamment la limite d’Eddington. Ces objets célestes, en émettant des niveaux de rayons X bien au-delà de ce que cette limite théorique autorise, posent un défi fascinant aux astrophysiciens. Des études récentes menées avec le réseau de télescopes NuSTAR ont confirmé que certaines ULX, telles que M82 X-2, émettent une luminosité qui défie les attentes, révélant la complexité et les mystères de notre univers.
Les hypothèses actuelles, appuyées par des observations, suggèrent que de puissants champs magnétiques pourraient jouer un rôle clé dans la déformation des atomes de matière, permettant à ces objets de briller bien plus intensément qu’on ne le pensait jusqu’à présent. Ces résultats remettent non seulement en cause nos modèles existants, mais ouvrent également de nouvelles pistes de recherche pour mieux comprendre les mécanismes d’accrétion et les conditions extrêmes qui règnent autour des étoiles à neutrons et des trous noirs.
Ainsi, l’étude continue des ULX et de leur comportement continue d’enrichir notre compréhension de la physique des objets compacts et des phénomènes extrêmes dans l’univers, soulignant l’importance de l’observation et de l’innovation technologique en astronomie.