Quand un trou noir déchiquette une étoile, il livre une partie de ses secrets

Les trous noirs ont la fâcheuse tendance à avaler tout ce qui passe à leur proximité. Fâcheuse ? Pas tant que ça. Car les chercheurs peuvent profiter de l’occasion pour percer quelques-uns de leurs secrets.

De petits morceaux de pâtes collés dans de la sauce tomate. Quelques éclaboussures de yaourts. Autant d’indices laissés sur une chaise haute qui peuvent vous aider à savoir de quoi était fait le repas du petit dernier… Pour un trou noir, c’est un peu pareil, nous apprennent les chercheurs aujourd’hui. Le déferlement de rayonnements qui se produit lorsqu’un tel objet déchire une étoile avant de l’engloutir peut fournir aux astronomes des informations précieuses sur sa nature. Les chercheurs parlent d’événement de rupture par effet de marée. Et la lumière qui est alors émise peut éclipser celle de toutes les étoiles de la galaxie hôte du trou noir pendant des mois. Voire des années.

Un tel événement a été enregistré sous le nom de J2150. « Le fait que nous ayons pu attraper un trou noir alors qu’il dévorait une étoile offre une opportunité remarquable d’observer ce qui serait autrement invisible », souligne Ann Zabludoff, astronome, dans un communiqué de l’université de l’Arizona (États-Unis). C’est plus précisément le rayonnement X émis à ce moment qui a été, ici, étudié par les chercheurs.

Notez que des dizaines d’événements de rupture par effet de marée ont déjà été observés par les scientifiques au centre de galaxies de taille semblable ou plus grande que notre Voie lactée et qui hébergent des trous noirs supermassifs. Ceux-ci font entre 1 million et 10 milliards de fois la masse de notre Soleil. Et lorsqu’ils avalent de la matière, c’est un véritable cataclysme.

Un trou noir intermédiaire trahit par son appétit
L’événement de rupture par effet de marée J2150 correspond, quant à lui, à la rencontre malchanceuse d’une étoile avec un trou noir de masse intermédiaire. Un trou noir qui ne pèse pas plus que 10.000 fois la masse de notre Soleil. C’est ce que les astronomes ont appris de leur analyse. De la manière dont les débris de l’étoile morte ont émis des rayons X. Le tout passé au crible de quelques modèles théoriques sophistiqués.

Ce n’est pas la première fois qu’un événement de rupture par effet de marée est observé dans une galaxie réputée trop modeste pour héberger un trou noir supermassif — les plus grandes galaxies abritent en effet les trous noirs supermassifs les plus imposants. Mais jusqu’alors, aucune donnée n’avait été suffisamment détaillée pour prouver que l’événement était alimenté par un trou noir de masse intermédiaire.


Nous savons encore très peu de choses sur ces trous noirs intermédiaires.

« Nous savons encore très peu de choses sur l’existence de trous noirs au centre de galaxies plus petites que la Voie lactée, remarque Peter Jonker, chercheur à l’université Radboud (Pays-Bas). En raison des limitations d’observation, il est difficile d’observer, au centre des galaxies, des trous noirs beaucoup plus petits qu’un million de masses solaires ». Mieux comprendre les populations de trous noirs intermédiaires par ce type d’études pourrait mettre les astronomes sur la piste des origines des trous noirs supermassifs. Certains imaginent en effet que les premiers se développent en les seconds avec le temps.

Des indices sur la matière noire
Mais les chercheurs de l’université de l’Arizona ne se sont pas arrêtés là. Ils ont aussi réussi à mesurer, grâce à cet événement de rupture par effet de marée, la manière dont ce trou noir intermédiaire tourne sur lui-même. Ils espèrent en tirer des informations sur la croissance de ces objets étonnants. « Nous excluons aujourd’hui que ce trou noir ait pu se développer sur une longue période. Mais il est possible qu’il se soit formé ainsi sans beaucoup changer depuis. Ou qu’il soit le résultat de la fusion de deux autres trous noirs intermédiaires », explique Ann Zabludoff, à partir de la mesure de la « rotation rapide, mais pas la plus rapide possible » du trou noir étudié.

Les astronomes soulignent aussi que leurs résultats exclus une large classe de bosons ultralégers comme candidats particules de matière noire. Ceux-ci empêcheraient en effet un trou noir intermédiaire de tourner aussi vite que ce qu’ils ont mesuré. Mais pour préciser tout cela, les chercheurs auront encore besoin d’étudier bien d’autres événements de rupture par effet de marée. Grâce, ils l’espèrent, à une nouvelle génération d’instruments.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/trou-noir-trou-noir-dechiquette-etoile-il-livre-partie-secrets-93652/

Un trou noir supermassif sur 10 errerait autour des galaxies

Les trous noirs géants ne sont pas tous tapis sagement au cœur des galaxies. Certains sont nomades et on peut parfois les observer dans le domaine des rayons X, probablement à la suite d’une rencontre avec une étoile. De récentes simulations de collisions entre galaxies contenant ces trous noirs géants laissent maintenant penser qu’environ 10 % de la masse du cosmos contenue dans des trous noirs supermassifs l’est dans des astres de genre errant dans les halos de matière noire des galaxies.

Au début des années 1960 la découverte des quasars a stupéfié les astronomes. Si l’on prenait leurs décalages spectraux vers le rouge au sérieux en accord avec la loi de Hubble-Lemaître, il fallait les considérer comme distants de plusieurs milliards d’années-lumière et incroyablement lumineux, trop pour que le rayonnement produit soit l’effet des réactions thermonucléaires dans des étoiles. Aussi, dès 1964, les grands astrophysiciens russes Yakov Zel’dovich et Igor Novikov (et l’États-unien Edwin Salpeter) avaient-ils proposé que les quasars, plus généralement les noyaux actifs de galaxies, soient des trous noirs supermassifs accrétant de la matière. En 1971, Donald Lynden-Bell et Martin Rees proposaient de leur côté qu’il en existait un au cœur de la Voie lactée. Au moins depuis le début des années 1990, il semblait clair que la plupart des grandes galaxies devaient probablement abriter en leur centre l’un de ces astres compacts, ce que les observations ne cessèrent de soutenir. Aujourd’hui, on peut même en faire des images comme l’ont montré les membres de l’Event Horizon Telescope avec M87*.

Les observations montrent aussi des galaxies en collision et il est devenu clair que dans certains cas au moins, les fusions de galaxies allaient conduire à des fusions de trous noirs supermassifs, ce qui contribuait à leur croissance et rendait en partie compte des masses atteintes par ces objets, allant de quelques millions à plusieurs dizaines de milliards de masses solaires. De fait aussi, on voit clairement dans certaines galaxies deux voire trois trous noirs supermassifs, ce qui s’explique bien si ce mécanisme de croissance est opérant. On a des raisons de penser malgré tout depuis une dizaine d’années, d’abord en raison de simulations et finalement là aussi d’observations, que l’essentiel de la croissance de ces objets se fait par l’accrétion de courants froids d’hydrogène et d’hélium canalisés par des filaments de matière noire.

Des trous noirs supermassifs qui ne « sédimentent » pas au cœur des galaxies
Parmi les simulations cosmologiques savantes sur des superordinateurs permettant de comprendre ce qui se passe dans le royaume des galaxies et leurs interactions avec les trous noirs supermassifs qu’elles contiennent, il y a celle appelée Romulus. Elle tient compte d’un grand nombre de corps célestes et d’une série de boucles de rétroactions dérivant de plusieurs phénomènes relevant d’une description non linéaire de la physique en jeu. La simulation Romulus tient notamment compte d’une modélisation plus précise de l’accrétion de la matière par un trou noir supermassif ainsi que de la fameuse formule dite de « friction dynamique » du grand astrophysicien indien et prix Nobel de physique Chandrasekhar décrivant la perte d’énergie d’un corps céleste massif, comme une étoile ou un trou noir, en mouvement dans le gaz autogravitant d’étoiles dans une galaxie.

Dans le cadre de la simulation Romulus, la prise en compte de cette formule montre notamment que les trous noirs supermassifs peuvent mettre beaucoup de temps avant d’entrer en coalescence après la fusion des deux galaxies qui les contenaient, voire rester en orbite autour de la galaxie produite.

L’astrophysicien Angelo Ricarte, du Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) vient de publier avec ses collègues Michael Tremmel, Priyamvada Natarajan, Charlotte Zimmer, tous de l’université de Yale, et Thomas Quinn de l’université de Washington, un article intéressant dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society et en accès libre sur arXiv, faisant état de nouveaux résultats à ce sujet avec la simulation Romulus.

C’est la suite de travaux qu’ils mènent à ce sujet depuis plusieurs années et ils annoncent être arrivés à une prédiction étonnante. Environ 10 % de la masse contenue sous forme de trous noirs supermassifs ne se trouve pas sous la forme de ces astres compacts au cœur des galaxies mais bien sous la forme de trous noirs supermassifs errant autour des grandes galaxies, dans leur halo de matière noire, et laissés dans cette situation à l’occasion de fusions mineures de galaxies.

Cette portion était de plus en plus grande au fur et à mesure que l’on remonte dans le passé.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/trous-noirs-trou-noir-supermassif-10-errerait-autour-galaxies-64685/

La masse des trous noirs est liée à la lumière qu’ils émettent

Des chercheurs de l’Université de l’Illinois ont découvert une corrélation entre la masse des trous noirs et le scintillement en provenance de leur disque d’accrétion. Leurs recherches pourraient mener à une nouvelle méthode de caractérisation de ces objets supermassifs.

Au cœur des galaxies se trouvent des trous noirs dits « supermassifs », leur masse allant de plusieurs centaines de milliers à des milliards de masses solaires. La Voie lactée ne fait pas exception, avec en son centre le trou noir Sagittarius A* et ses quatre millions de masses solaires. La force gravitationnelle qui règne dans de tels objets est telle que rien ne peut s’en échapper au-delà d’un rayon limite appelé « horizon ». Pas même la lumière.

Autour du trou noir, un disque d’accrétion de la matière

Autour des trous noirs s’accumulent les gaz et poussières qu’ils avalent petit à petit, et cette matière prend la forme d’un disque d’accrétion. Elle y est compressée et chauffée jusqu’à des températures extrêmes avant de tomber dans le ventre du trou noir. Ce phénomène engendre de nombreux effets secondaires, comme la création d’un champ magnétique propre au disque d’accrétion, ou encore l’émission de rayons X, détectés ensuite par les instruments de mesure.

Une étude datant de 2020 témoignait de l’observation du scintillement d’un tel disque. Ces éclats éphémères correspondraient à des fluctuations aléatoires du processus d’alimentation du trou noir autour duquel le disque se forme, mais le processus détaillé reste à ce jour inconnu. Récemment, une équipe de l’Université de l’Illinois, menée par les chercheurs Colin Burke et Yue Shen, a découvert un fait intéressant sur ce scintillement : il serait lié à la masse du trou noir. Leurs conclusions ont été publiées le 12 août 2021 dans la revue Science.

Source : https://www.sciencesetavenir.fr/espace/univers/la-masse-des-trous-noirs-est-liee-a-la-lumiere-qu-ils-emettent_156629

De la lumière venue de derrière un trou noir !

Rien ne peut s’échapper d’un trou noir. Pas même la lumière. Mais en théorie, les trous noirs supermassifs devraient pouvoir suffisamment courber l’espace pour nous permettre de voir ce qui se passe derrière eux. Pourtant, cela n’avait encore jamais été observé. Jusqu’à aujourd’hui…

Ce que des chercheurs de l’université de Stanford (États-Unis) viennent de faire grâce aux observatoires spatiaux NuSTAR (Nasa) et XMM-Newton (ESA), c’est un peu comme voir la théorie de la relativité générale d’Einstein en action. Pour la toute première fois, ils viennent en effet d’observer de la lumière issue… de derrière un trou noir supermassif. Sous la forme d’éclairs de rayons X.

Quoi ? Vous aussi vous étiez resté sur le fait que la lumière qui pénètre un trou noir ne peut pas en ressortir ? C’est un fait. Et nous ne devrions donc pas pouvoir voir quoi que ce soit derrière un trou noir. Mais c’est sans compter une autre caractéristique étrange des trous noirs. Les trous noirs déforment l’espace. Ils courbent la lumière et tordent les champs magnétiques.

Une fois de plus, il faut l’admettre, l’objectif des chercheurs n’était pas de réussir à voir derrière un trou noir. Ce qu’ils espéraient, c’était d’en apprendre un peu plus sur la couronne qui entoure certains trous noirs. La couronne. Encore une caractéristique mystérieuse de ces objets décidément étranges.

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De la couronne à l’arrière du trou noir
À la limite de l’horizon des événements, sur le bord intérieur du disque d’accrétion, cette couronne serait formée par du gaz tombant sur le trou noir. Dans l’aventure, il surchaufferait à des millions de degrés. De quoi autoriser à ses électrons à se séparer des atomes, donnant naissance à un plasma magnétisé. Pris dans le mouvement de rotation du trou noir, le champ magnétique ainsi créé s’arc-boute et tournoie tellement autour de lui-même qu’il finit par se briser. C’est ainsi qu’il produit des électrons à haute énergie, eux-mêmes à l’origine d’éclairs de rayons X.

Certains de ces rayons X irradient le disque d’accrétion puis sont réémis dans ce que les physiciens appellent un écho de réverbération. Et cette émission peut être utilisée pour cartographier la région la plus proche de l’horizon des événements d’un trou noir. C’est ce que les chercheurs de l’université de Stanford pensaient faire.

Ils ont observé ces rayons X du côté d’un trou noir supermassif au centre d’une galaxie – appelée I Zicky 1 – située à 800 millions d’années-lumière de notre Terre. Jusque-là, rien de réellement exceptionnel donc. C’est ce qu’ils ont vu un peu plus tard qui sort vraiment de l’ordinaire. Des éclairs de rayons X plus petits et de « couleurs » différentes de celles des rayons X initiaux.

Des rayons X réfléchis
Selon les chercheurs, ils s’agiraient en fait là du même type de rayons X, mais réfléchis par l’arrière du disque. Bref, un aperçu de ce qui se passe de l’autre côté du trou noir. « Cela faisait des années que je construisais des prédictions théoriques sur la façon dont ces échos devraient nous apparaître », raconte Dan Wilkins, astrophysicien, dans un communiqué de l’université de Stanford. « Quand je les ai vus, j’ai su. »

Pour obtenir une image plus précise du phénomène, les chercheurs attendent maintenant avec impatience le lancement d’Athena, l’observatoire à rayons X de l’Agence spatiale européenne (ESA). Le lancement de ce télescope spatial est prévu pour 2031. Il permettra d’obtenir des images haute résolution dans des temps d’observation beaucoup plus courts.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/trou-noir-supermassif-lumiere-venue-derriere-trou-noir-92768/

Un « essaim » de trous noirs se déplace actuellement à travers la Voie lactée

L’amas stellaire Palomar 5 est l’un des plus denses du halo de notre galaxie, la distance moyenne entre les étoiles étant de quelques années-lumière seulement, comparable à la distance du Soleil à l’étoile la plus proche. Cet amas globulaire est également associé à un courant stellaire spéculaire qui s’étend sur plus de 20 degrés dans le ciel. Et pour couronner le tout, une équipe internationale d’astronomes et d’astrophysiciens vient de découvrir que ces deux caractéristiques distinctives de Palomar 5 sont probablement le résultat d’une population de trous noirs surdimensionnée de plus de 100 trous noirs au centre de l’amas.

Si la découverte est validée, elle expliquera comment l’amas est devenu ce qu’il est aujourd’hui, avec ses étoiles espacées de quelques années-lumière et s’étalant sur 30 000 années-lumière au total.

Palomar 5 est situé à environ 80 000 années-lumière de la Terre, et comme d’autres amas globulaires du même type, il est considéré comme un véritable « fossile » de l’Univers primitif. Il est très dense et sphérique, et contient entre 100 000 et 1 million d’étoiles très anciennes. Certains amas similaires, comme NGC 6397, sont presque aussi vieux que l’Univers lui-même.

Courants de marée : de véritables arches stellaires
Dans tout amas globulaire, toutes les étoiles se sont formées en même temps, à partir du même nuage de gaz. La Voie lactée compte environ 150 amas globulaires connus. Ces objets sont d’excellents outils pour étudier, par exemple, l’histoire de l’Univers ou le contenu en matière noire des galaxies autour desquelles ils gravitent.

Vue d’artiste d’un amas de trous noirs. | ESA/Hubble, N. Bartmann

Mais il existe un autre type de groupe d’étoiles qui retient de plus en plus l’attention : de faibles arches constituées d’étoiles, appelées « courants de marée », ou « rivières d’étoiles ». Auparavant, il était difficile de les identifier, mais grâce à l’observatoire spatial Gaia, qui s’efforce de cartographier la Voie lactée avec une grande précision en trois dimensions, un plus grand nombre de ces amas ont été mis en évidence.

« Nous ne savons pas comment ces courants de marée se forment, mais une idée est qu’il s’agit d’amas d’étoiles perturbés », a expliqué l’astrophysicien Mark Gieles de l’Université de Barcelone en Espagne. « Cependant, aucun des courants récemment découverts n’est associé à un amas d’étoiles, ce qui nous empêche d’en être sûrs. Donc, pour comprendre comment ces courants se sont formés, nous devons en étudier un auquel est associé un système stellaire. Palomar 5 est le seul cas, ce qui en fait une pierre de Rosette pour comprendre la formation des courants de marée, et c’est pourquoi nous l’avons étudié en détail ». Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Nature Astronomy.

Palomar 5 semble unique en ce sens qu’il présente à la fois une distribution très large et lâche d’étoiles et un long courant de marée, couvrant plus de 20 degrés du ciel, c’est pourquoi Gieles et son équipe se sont concentrés sur ce dernier. L’équipe a utilisé des simulations N-corps détaillées pour recréer les orbites et les évolutions de chaque étoile de l’amas, afin de voir comment elles ont pu se retrouver là où elles sont aujourd’hui.

Étant donné que des preuves récentes suggèrent que des populations de trous noirs pourraient exister dans les régions centrales des amas globulaires et que les interactions gravitationnelles avec les trous noirs sont connues pour faire dévier les étoiles, les scientifiques ont inclus des trous noirs dans certaines de leurs simulations.

Plus de 20% de la masse de l’amas constituée de trous noirs
Leurs résultats ont montré qu’une population de trous noirs de masse stellaire (plus de 100) au sein de Palomar 5 aurait pu donner lieu à la configuration que nous observons aujourd’hui. Les interactions orbitales auraient propulsé les étoiles hors de l’amas et dans le courant de marée, mais seulement si le nombre de trous noirs était nettement plus élevé que prévu.

Les étoiles s’échappant de l’amas plus efficacement et plus facilement que les trous noirs auraient modifié la proportion de trous noirs, l’augmentant considérablement. « Le nombre de trous noirs est environ trois fois plus élevé que ce que l’on attendait du nombre d’étoiles dans l’amas, et cela signifie que plus de 20% de la masse totale de l’amas est constituée de trous noirs », a déclaré Gieles. « Ils ont chacun une masse d’environ 20 fois celle du Soleil, et ils se sont formés lors d’explosions de supernovas, à la fin de la vie des étoiles massives, lorsque l’amas était encore très jeune ».

Les simulations de l’équipe ont montré que, dans environ un milliard d’années, l’amas se dissoudra complètement. Juste avant que cela ne se produise, ce qui restera de l’amas sera entièrement constitué de trous noirs, en orbite autour du centre galactique. Cela suggère que Palomar 5 n’est pas si unique, après tout… Il se dissoudra complètement en un courant stellaire, tout comme d’autres que nous avons découverts.

Cela suggère également que d’autres amas globulaires partageront probablement le même sort, à terme. Et cela confirme que les amas globulaires peuvent être d’excellents endroits pour rechercher des trous noirs qui entreront éventuellement en collision, ainsi que la classe insaisissable des trous noirs de masse moyenne.

« On pense qu’une grande partie des fusions binaires de trous noirs ont lieu dans des amas stellaires », déclare l’astrophysicien Fabio Antonini de l’université de Cardiff, au Royaume-Uni. « L’une des grandes inconnues de ce scénario est le nombre de trous noirs présents dans les amas, qui est difficile à déterminer par observation, car nous ne pouvons pas voir les trous noirs. Notre méthode nous donne un moyen d’apprendre combien de trous noirs il y a dans un amas d’étoiles en observant les étoiles qu’ils éjectent ».

Simulation montrant la formation des courants de marée dans l’amas Palomar 5 et la distribution des trous noirs (les étoiles sont représentées en jaune et les trous noirs en noir) :

Source : https://trustmyscience.com/essaim-trous-noirs-se-deplace-actuellement-a-travers-voie-lactee/

Et si le trou noir au centre de la Voie lactée était en fait… de la matière noire ?

Notre Voie lactée — comme d’autres grandes galaxies dans l’Univers — abrite en son centre, un trou noir supermassif. Il est trahi par les effets gravitationnels qu’il exerce sur d’autres objets. Mais des chercheurs envisagent aujourd’hui que ces effets pourraient aussi bien être expliqués par la présence, à sa place, d’un amas de matière noire.

Au centre de la Voie lactée, il y a un trou noir supermassif. Sagittarius A* (Sgr A*), c’est son petit nom. Mais en est-on bien sûr ? Personne n’est jamais allé le voir de près, après tout. Les astronomes ont déduit sa présence des effets gravitationnels qu’il exerce sur les objets qui peuplent notre galaxie. Sur les étoiles dites S, notamment, des étoiles proches de lui. Et aujourd’hui, des chercheurs du Centre international d’astrophysique relativiste (Italie) suggèrent que ces effets pourraient aussi bien — voire mieux — être expliqués par la présence non pas d’un trou noir, mais d’une masse de matière noire.

C’est le comportement étrange d’un objet appelé G2 — dont les astrophysiciens ignorent encore la nature exacte — alors qu’il passait à proximité de Sagittarius A* qui a éveillé leurs soupçons. G2 est en effet miraculeusement sorti indemne de sa rencontre avec le supposé trou noir supermassif au centre de la Voie lactée.

Des comportements cohérents avec la présence de matière noire
L’observation pourrait être expliquée par le fait que G2 ne soit pas qu’un simple nuage de gaz. Sa structure aurait en effet pu être maintenue intacte par la présence cachée en son sein d’une ou deux étoiles. Mais les chercheurs du Centre international d’astrophysique relativiste, eux, l’expliquent d’une tout autre façon. Sgr A* serait constitué d’une concentration de matière noire de quelque 500.000 masses solaires. Des particules exotiques que les physiciens appellent des « darkinos ». Maintenus en équilibre par leur attraction gravitationnelle propre. Ils formeraient ainsi une boule aux contours flous dont l’attraction gravitationnelle n’aurait pas été assez forte pour détruire G2.

Et ce qui donne de la consistance à cette théorie, c’est qu’elle permet aussi de reproduire les comportements des 17 étoiles dites S les mieux décrites par les astronomes. Enfin, lorsque les chercheurs donnent aux darkinos la bonne masse — un neuvième environ de celle d’un électron — et la bonne vitesse. Alors, pour confirmer cette nouvelle hypothèse, il faudra tout de même attendre que leur modèle reproduise également d’autres observations faites à travers l’Univers. Comme expliquer pourquoi les galaxies tournent plus vite qu’elle ne devraient par rapport à la masse qu’on leur connait.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/voie-lactee-si-trou-noir-centre-voie-lactee-etait-fait-matiere-noire-87795/