Scientists have long understood that massive black holes lurking in galactic nuclei and weighing millions of Suns can disrupt stars that come too close. Due to intense tidal forces, the black hole’s gravity pulls harder on the nearest part of the star, an imbalance that pulls the star apart over a period of hours, once it gets inside the so-called "tidal radius".

Now, Matthieu Brassart and Jean-Pierre Luminet of the Observatoire de Paris (section of Meudon), France, say the strain of these tidal forces can also trigger a nuclear explosion powerful enough to destroy the star from within. They carried out computer simulations of the final moments of such an unfortunate star’s life, as it penetrates deeply into the tidal field of a massive black hole.

When the star gets close enough the black hole (without falling into), the tidal forces flatten it into a pancake shape. Previous studies already performed by Luminet and collaborators twenty years ago had suggested this flattening would increase the density and temperature inside the star enough to trigger intense nuclear reactions that would tear it apart. But other studies had suggested that the picture would be complicated by shock waves generated during the flattening process, and that no nuclear explosion should occur.

The new simulations investigate the effects of shock waves in detail, and find that even when their effects are included, the conditions favour a nuclear explosion which will completely destroy the star, and which will be powerful enough to hurl much of the star’s matter out of the black hole’s reach.

Figure 2 : Augmentation de la température centrale (en unités de la température initiale T*= 107 K) pour des crêpes stellaires pénétrant dans le rayon de marée par les facteurs respectifs 7, 10, 12 et 15. Le temps est en secondes, t = 0 correspond au passage de l’étoile au point le plus proche du trou noir. La température centrale maximale augmente comme le carré du facteur de pénétration. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Stellar fireworks

The tidal disruption of stars by black holes may already have been observed by X-ray telescopes such as GALEX, XMM and Chandra, although at a much later stage : several months after the event that rips the star apart, its matter starts swirling into the hole, heats up and releases ultraviolet light and X-rays. However, if pancake stars really do explode, then they could in principle allow these events to be detected at a much earlier stage. Future observatories, such as the Large Synoptic Survey Telescope (LSST), which will detect large numbers of supernovae, could turn up some explosions of this type.

But this might be not the only hazard facing the doomed star. Brassart and Luminet calculated that the shock waves inside the stellar pancake carry a brief (

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Conclusion

The planned high-energy, all-sky surveys are the best suited to detect more flares of this type because of their large sky coverage. By providing a quick localization of flambeed stellar pancakes, followed by the detection of the corresponding afterglows in the optical, infrared, and radio bands, these missions could bring as much to the understanding of stellar disruptions by black holes as the Beppo-Sax and Swift telescopes did for the comprehension of gamma-ray bursts.

References

[1] Shock Waves in Tidally Compressed Stars by Massive Black Holes, M. Brassart & J.-P. Luminet, Astron. Astrophys. 481 (2008) 259-277

[2] For a popular account of tidal disruption and massive black holes, see also J.-P. Luminet, Le destin de l’univers : trous noirs et énergie sombre, Fayard (Paris, 2006), chap. 21

Contact

Jean-Pierre Luminet (Observatoire de Paris, LUTH, et CNRS)

Matthieu Brassart (Observatoire de Paris, LUTH, et CNRS, et Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching)

Dernière modification le 4 mars 2013

Les scientifiques savent depuis longtemps que les trous noirs de quelques millions de masses solaires, présents dans la plupart des centres galactiques, peuvent briser les étoiles qui s’approchent trop près. En raison de forces de marée très intenses, la gravité du trou noir attire en effet plus fortement la partie avant de l’étoile que sa partie arrière, provoquant ainsi un déséquilibre qui, en quelques heures seulement, déchire l’étoile tout entière au sein de ce que l’on appelle le "rayon de marée".

Selon une étude récente de Matthieu Brassart et Jean-Pierre Luminet, de l’Observatoire de Paris (section de Meudon), l’intensité des forces de marée peut aussi déclencher des réactions thermonucléaires suffisamment puissantes pour faire exploser l’étoile depuis l’intérieur. A l’aide de simulations numériques, ils ont étudié les derniers instants d’un étoile condammée, dès lors qu’elle pénètre profondément dans le rayon de marée d’un trou géant.

Figure 1 : L’écrasement d’une étoile par les forces de marée d’un trou noir. Le dessin illustre la déformation progressive d’une étoile plongeant profondément dans le rayon de marée d’un trou noir géant (la taille de l’étoile est considérablement agrandie pour la clarté du dessin). La figure du haut représente la déformation de l’étoile dans son plan orbital (vue de dessus), celle du milieu montre la déformation dans la direction perpendiculaire (vue par la tranche), et le diagramme du bas indique l’aplatissement relatif. De (a) en (d), les forces de marée sont faibles et l’étoile reste pratiquement sphérique. En (e), l’étoile pénètre dans le rayon de marée et est dès lors condamnée. Sa configuration se rapproche d’abord de celle d’un cigare, puis de (e) à (g), l’effet laminoir des forces de marée écrase l’étoile dans son plan orbital, en une configuration de « crêpe ». Puis l’étoile rebondit et se dilate en ressortant du rayon de marée en (h). Plus loin sur son orbite, l’étoile finit par se dissocier en fragments gazeux. Les simulations hydrodynamiques détaillées, prenant en compte les ondes de choc, ont été effectuées durant la phase d’écrasement (e) à (g). © J.-P. Luminet Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Lorsque l’étoile s’approche suffisamment près du trou noir (sans toutefois tomber dedans), les forces de marée l’aplatissent en une configuration de "crêpe". Des calculs déjà effectués il y a vingt ans par Luminet et ses collaborateurs avaient suggéré que l’écrasement de l’étoile augmenterait la densité et la température centrales à des valeurs suffisantes pour déclencher des réactions thermonucléaires explosives. Mais d’autres travaux avaient suggéré que le processus serait modifié par des ondes de choc engendrées au sein de la crêpe, de sorte qu’aucune explosion nucléaire ne se produirait.

Les nouvelles simulations étudient en détail les effets des ondes de choc, et montrent que les conditions créées favorisent toujours une explosion thermonucléaire qui brisera complètement l’étoile, et sera suffisamment puissante pour propulser une bonne partie du gaz libéré hors d’atteinte du trou noir.

Figure 2 : Augmentation de la température centrale (en unités de la température initiale T*= 107 K) pour des crêpes stellaires pénétrant dans le rayon de marée par les facteurs respectifs 7, 10, 12 et 15. Le temps est en secondes, t = 0 correspond au passage de l’étoile au point le plus proche du trou noir. La température centrale maximale augmente comme le carré du facteur de pénétration. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Feux d’artifice stellaires

La rupture d’étoiles par les forces de marée de trous noirs a probablement déjà été observée par les télescopes à rayons X comme GALEX, XMM et Chandra, bien qu’à un stade beaucoup plus tardif : en effet, plusieurs mois après l’événement qui a brisé l’étoile, une partie du gaz libéré tombe en spirale vers le trou noir, s’échauffe et libère du rayonnement UV et X. Toutefois, si les crêpes stellaires explosent bel et bien, elles permettraient de détecter ces ruptures beaucoup plus tôt. Les futurs instruments comme le LSST (Large Synoptic Survey Telescope), qui recensera les supernovae en grand nombre, pourront repérer des explosions de ce type.

Mais le sort d’une crêpe stellaire pourait s’avérer encore plus spectaculaire. Brassart et Luminet ont calculé que les ondes de choc engendrées dans la crêpe transportent un pic de température bref (

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Conclusion

Les projets de sondages du ciel aux hautes énergies et à vaste couverture angulaire seront les mieux à même de détecter des flambées de ce type. En permettant une localisation rapide des crêpes stellaires, relayée par la détection de leurs lueurs résiduelles en optique, infrarouge et radio par les télescopes au sol, ces missions spatiales pourront apporter à la connaissance des dislocations stellaires autant que les télescopes Beppo-Sax et Swift ont jadis apporté à la compréhension des sursauts gamma.

Références

[1] Shock Waves in Tidally Compressed Stars by Massive Black Holes, M. Brassart & J.-P. Luminet, Astron. Astrophys. 481 (2008) 259-277

[2] Pour une discussion non technique sur les trous noirs géants et la rupture d’étoiles, voir aussi J.-P. Luminet, Le destin de l’univers : trous noirs et énergie sombre, Fayard (Paris, 2006), chap. 21

Contact

Jean-Pierre Luminet (Observatoire de Paris, LUTH, et CNRS)

Matthieu Brassart (Observatoire de Paris, LUTH, et CNRS, et Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching)

Dernière modification le 22 février 2013