La couronne du trou noir : un vent qui polarise la lumière express
Le trou noir Cygnus X-1 est l'un des plus étudiés de notre galaxie. Il forme une paire avec une étoile ordinaire et attire sa matière. Le gaz s'enroule en un disque lumineux, comme l'eau dans un entonnoir, et au-dessus du disque plane une couronne surchauffée – un nuage d'électrons à des centaines de millions de degrés. C'est dans cette couronne que les photons X gagnent de l'énergie supplémentaire et se polarisent, c'est-à-dire que leurs oscillations s'alignent dans une direction.
De nouvelles observations avec plusieurs télescopes spatiaux ont montré que la couronne n'est pas statique. Elle s'écoule vers l'extérieur à environ 0,3 fois la vitesse de la lumière – environ 90 000 kilomètres par seconde. Un tel vent accélère les électrons, et ils diffusent la lumière de manière inégale : les photons qui vont contre le vent reçoivent plus d'énergie que ceux qui vont dans le sens du vent. Cela explique pourquoi la polarisation ne change presque pas avec l'énergie du photon, alors qu'elle devrait normalement beaucoup tourner.
La comparaison avec les calculs a montré que le trou noir tourne lentement. S'il tournait rapidement, sa gravité ferait tourner le plan de polarisation à des angles différents pour différentes énergies. Les observations ne voient pas une telle rotation. Cela signifie que le trou noir lui-même ne participe presque pas à la création de la polarisation – tout est fait par sa couronne-vent.
Ainsi, Cygnus X-1 confirme une fois de plus : même dans un état calme, le trou noir ne dort pas, mais éjecte continuellement de la matière. Et cette éjection peut être vue non seulement par la luminosité, mais aussi par la façon dont la lumière oscille.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2603.10870
We aim to identify the physical mechanism responsible for the observed X-ray emission and polarization of Cyg X-1 in the soft state. We performed a detailed spectral analysis of X-ray data obtained with NICER, NuSTAR, and INTEGRAL during observations simultaneous with IXPE on 2023 June 20, supplemented at higher energies with archival CGRO data. We developed a new model, retBB, which describes thermal disk emission and its returning reflection, and applied it together with accurate models of Comptonization and relativistically broadened reflection. Using the resulting spectral solution, we computed the expected polarization signal and compared it with the IXPE measurements. Our spectropolarimetric modeling shows that the observed polarization is in agreement with being produced by Comptonization in a corona undergoing a semi-relativistic outflow at a velocity of ~0.3c. Our spectral solutions admit either low or high black-hole spin values, depending on the adopted model setup. However, the observed polarization strongly favors a low spin. At high spin, the polarization angle would inevitably rotate significantly across the energy band, which is inconsistent with the observations. Apart from this rotation of the polarization angle, general relativistic effects do not play a significant role in producing the observed polarization. In particular, we find that, at most, returning disk radiation contributes only a minor amount.
Cygnus X-1 est devenu le premier trou noir découvert par son rayonnement X. En 1974, Stephen Hawking a parié avec Kip Thorne que ce n'était pas un trou noir, et il a perdu.
Dans le roman « Hyperion » de Dan Simmons, un trou noir sert de portail, mais Cygnus X-1 n'a pas d'horizon des événements que l'on puisse traverser – seulement un vent issu de la couronne.