L’environnement immédiat d’un trou noir révélé par des observations en polarimétrie X

Les binaires X à trous noirs sont des systèmes où une étoile et un trou noir de quelques masses solaires orbitent l’un autour de l’autre. La matière arrachée à l’étoile sous l’effet du champ de gravitation intense du trou noir est chauffée à plusieurs centaines de millions de degrés et rayonne en X. Une partie de cette matière est également éjectée hors du système formant des jets puissants observés généralement en radio. Cygnus X-1 est l'une des binaires X à trous noirs les plus brillantes de notre Galaxie. Elle est constituée d'un trou noir de 21 masses solaires en orbite autour d'une étoile compagnon de 41 masses solaires.

Les récentes observations de Cygnus X-1 réalisées par une équipe internationale de chercheurs dont certains CNRS-INSU (voir encadré) à l’aide du satellite IXPE (Imaging X-Ray Polarimetry Explorer) révèlent de nouveaux détails sur les propriétés de cette matière chaude et son lien avec les processus d’éjection. Le satellite IXPE, issu d’une collaboration internationale entre la NASA et l'Agence spatiale italienne (ASI), permet de mesurer pour la première fois la polarisation du rayonnement X, cette polarisation portant des informations sur la manière dont les rayons X ont été émis et sur la géométrie des régions d’émission.

En combinant les données obtenues en Mai et Juin 2022 par IXPE avec les observations simultanées des observatoires NICER et NuSTAR de la NASA, les chercheurs ont déduit que le rayonnement X provenait d’une région de ~2000 km de diamètre entourant le trou noir, ce dernier faisant lui-même ~60 km de diamètre. De plus la direction de la polarisation du rayonnement X de Cygnus X-1 est alignée avec celle du jet radio déjà connu dans cette source. Cet alignement montre très clairement, et pour la première fois, le lien entre les processus produisant le plasma chaud et le jet lui-même. Il permet aussi d’exclure les modèles ou le plasma chaud est localisé le long de l’axe du jet et favorise plutôt une géométrie où ce plasma est étendu perpendiculairement au jet.