On pense que la plupart des galaxies abritent un trou noir supermassif en leur centre, ce qui est essentiellement la façon qu'a l'univers de dire : « J'ai un très gros appétit. » Ces objets énormes peuvent peser des millions, voire des milliards de fois plus que le soleil, créant certains des environnements gravitationnels les plus puissants connus – assez puissants pour transformer une étoile en spaghetti, si vous aimez ce genre de métaphore.

Lorsqu'une étoile passe dangereusement près de l'un de ces trous noirs, la destruction n'est pas toujours immédiate. Certaines étoiles survivent à la rencontre et reviennent pour en redemander, générant à chaque fois une nouvelle bouffée de lumière. Ces événements, connus sous le nom d'événements de disruption partielle récurrents (rpTDE), permettent aux astronomes d'observer la même étoile se faire grignoter à plusieurs reprises par le même trou noir. Les relevés à grand champ et à haute cadence rendent cela possible en balayant de vastes régions du ciel et en suivant les objets dont la luminosité change – comme une émission de téléréalité cosmique.

Pourtant, certains de ces systèmes sont restés un mystère. Au lieu de produire des éruptions similaires à chaque retour, ils deviennent progressivement plus faibles – comme une mauvaise suite qui perd de son souffle. Pendant des années, les modèles théoriques ont eu du mal à expliquer ce comportement.

De nouvelles recherches menées par des astrophysiciens de l'Université de Syracuse suggèrent qu'une propriété de l'étoile jusqu'ici sous-estimée pourrait être la clé : la vitesse à laquelle elle tournait avant sa première rencontre rapprochée avec le trou noir. L'étude, publiée dans The Astrophysical Journal, a été dirigée par l'étudiant en doctorat Ananya Bandopadhyay, avec le chercheur postdoctoral Benjamin Amend et le professeur associé Eric Coughlin, tous au département de physique, ainsi que des collaborateurs ailleurs.

Dans un événement de disruption par effet de marée standard (TDE), la gravité du trou noir varie tellement à travers l'étoile que celle-ci est complètement déchiquetée. Les débris tombent vers le trou noir, libérant de la lumière sur des jours à des mois. Les trous noirs n'émettent pas de lumière eux-mêmes, mais un TDE fournit temporairement de la matière qui illumine la région – une sorte de lampe torche cosmique.

Toutes les rencontres ne se terminent pas par une destruction totale. Si une étoile passe assez près pour ne perdre qu'une partie de sa masse, c'est un TDE partiel. Dans un TDE partiel récurrent, le noyau survivant reste en orbite et revient pour d'autres rencontres rapprochées, perdant plus de matière à chaque fois. Ces passages peuvent se produire à des mois ou plusieurs années d'intervalle.

La quantité de matière arrachée dépend de la structure interne de l'étoile. Bandopadhyay compare une étoile de faible masse à une meringue aérienne – elle devient de plus en plus sensible aux forces de marée. Une étoile de masse plus élevée est plus concentrée vers le centre, avec une structure en oignon, perdant ses couches externes tandis que le noyau reste stable, donc la perte de masse diminue avec le temps.

Ces différences structurelles aident à expliquer pourquoi les rpTDE évoluent différemment, mais une observation a été particulièrement déroutante : sur les dix systèmes récurrents trouvés jusqu'à présent, quatre montrent des éruptions qui s'affaiblissent progressivement. Il semblerait naturel de supposer que moins de matière arrachée signifie des éruptions plus faibles, mais des simulations précédentes montraient le contraire – même avec une perte de masse moindre, la luminosité maximale restait à peu près la même.

« Nous étions perplexes pendant deux ans », dit Bandopadhyay.

Leurs travaux antérieurs ont révélé une autre conséquence des forces de marée : elles appliquent un couple, faisant tourner l'étoile plus vite après chaque rencontre. Cette rotation accrue modifie la rapidité avec laquelle la matière arrachée retombe vers le trou noir. Même si moins de matière revient, elle le fait sur une période plus courte, ce qui maintient le taux de retombée maximal – et donc la luminosité prédite de l'éruption – à peu près constant.

Pour reproduire les éruptions qui s'estompent, les chercheurs avaient besoin d'« un nouvel ingrédient » : une étoile tournant déjà rapidement avant sa première rencontre. Leurs nouvelles simulations suggèrent qu'une telle étoile ne peut pas être beaucoup accélérée lors des passages ultérieurs. Sans une grande augmentation de la rotation, le temps de retombée reste stable, donc à mesure que moins de matière est arrachée, le taux de retombée maximal diminue et l'éruption devient plus faible – ce qui correspond aux observations.

Mais pourquoi une étoile s'approchant d'un trou noir supermassif aurait-elle déjà une rotation rapide ?