Lofar révèle l’activité « volcanique » d’un trou noir supermassif avec ses éruptions

Une équipe internationale d’astrophysiciens a observé pour la première fois dans le milieu intergalactique l’évolution du plasma chaud provenant des éruptions d’un trou noir supermassif actif. Ils ont pu y observer des structures, rappelant fortement les volutes et panaches de fumée et de cendres produits par les éruptions volcaniques, avec des détails inédits et à une échelle de temps de l’ordre de cent millions d’années.

En 1963, lorsque Maarten Schmidt, un astronome néerlandais, a fait l’analyse spectrale d’un astre, la contrepartie dans le visible d’une source radio puissante nommée 3C 273, il était bien loin de se douter de ce qui se cachait vraiment derrière cet astre marquant la découverte des quasi-stellar radio sources, des quasars selon la dénomination proposée en 1964 par l’astrophysicien d’origine chinoise Hong-Yee Chiu.

3C 273 se présentait comme une étoile, mais elle se trouvait à plus de 2,4 milliards d’années-lumière de la Voie lactée, ce qui veut dire que pour être observable à une telle distance proprement cosmologique, elle devait être d’une luminosité absolument prodigieuse, dépassant les 5 millions de millions de fois celle du Soleil, ou présenté d’une autre façon était équivalente à celle de 1.000 fois les centaines de milliards d’étoiles de notre Voie lactée !

Nous savons aujourd’hui que ces quasars sont des exemples de ce que l’on appelle des noyaux actifs de galaxies (Active Galactic Nuclei ou AGN, en anglais) et nous avons toutes les raisons de penser que leur prodigieuse énergie provient de l’accrétion de la matière par des trous noirs supermassifs de Kerr en rotation, pouvant contenir des milliards de masses solaires comme M87*, récemment imagé par les membres de la collaboration Event Horizon Telescope.

Toutes les observations faites à ce jour soutiennent de plus en plus l’idée que les trous noirs existent bel et bien mais il faut garder à l’esprit que la démonstration ultime de leur existence manque encore car nous pourrions voir en fait des objets se comportant d’un point de vue astrophysique bel et bien comme des trous noirs mais qui n’en sont pas vraiment s’ils manquent la propriété essentielle qui les définit : l’existence d’un horizon des événements fermé fonctionnant comme une membrane ne pouvant être traversée que dans un seul sens.

Ce qui est certain par contre, c’est que les objets que nous pensons être des trous noirs supermassifs croissent de pair avec les galaxies qui les hébergent puisque l’on constate dans l’immense majorité des cas une même relation de proportionnalité croissante entre les masses des deux types d’astres. Les deux semblent croître essentiellement grâce à des filaments de matière froide, selon le paradigme actuellement admis au sujet de leur croissance.

Une physique des plasmas relativiste révélée par la radioastronomie
Lorsque suffisamment de gaz tombe sur les trous noirs supermassifs en rotation, il se forme un disque de matière qui s’échauffe et s’ionise, de sorte que des processus complexes de magnétohydrodynamique relativiste en espace-temps courbe se produisent. Au final, la rotation du trou noir se couplant avec ces processus, des jets de matière sont produits et des instabilités dans le disque conduisent à des éruptions. Ces éruptions sont étudiées depuis des décennies, comme le prouve le précédent article de Futura à ce sujet, ci-dessous.

On aimerait bien en savoir plus sur l’effet de ces jets et de ces éruptions sur le milieu interstellaire et intergalactique car on soupçonne que l’activité des trous noirs a un impact sur la capacité des galaxies à produire des étoiles. L’activité des trous noirs supermassifs pourrait conduire le gaz dans les galaxies à être éjecté, ce qui expliquerait pourquoi certaines d’entre elles ne forment plus de nouvelles étoiles depuis des milliards d’années, faute de matière à utiliser.

On continue de nos jours à étudier ces questions et plus généralement les trous noirs supermassifs à l’aide de radiotélescopes, comme au moment de la découverte des quasars. Un article que vient de publier dans Nature Astronomy une équipe internationale d’astronomes le montre bien ; un communiqué de l’Université de Bologne et l’Institut national italien d’astrophysique (INAF) l’illustre également.

Ainsi, les radiotélescopes Lofar (LOw Frequency ARray) ont-ils été mobilisés pour étudier un groupe d’une vingtaine de galaxies situées à environ 200 millions d’années-lumière de la Voie lactée et contenant, comme bien des amas galactiques, une galaxie elliptique centrale géante. Ce groupe de galaxies s’appelle Nest200047 et comme l’explique le communiqué de l’Université de Bologne, l’étude menée a aussi bénéficié des observations dans le domaine des rayons X rendues possibles par le satellite russe Spektr-RG, à bord duquel se trouve également l’instrument eRosita.

L’interprétation des données collectées par ces instruments laisse penser que les jets et les éruptions des trous noirs supermassifs produisent des effets dans l’environnement des galaxies hôtes de ces astres compacts pouvant s’étendre dans un volume dont la taille peut être 100 fois plus grande que celles de ces galaxies. Les perturbations dans le milieu intergalactique y dureraient également des centaines de millions d’années.

Les astronomes voient dans l’environnement de Nest200047 des bulles, et des filaments de plasma longs de millions d’années-lumière, chauds et associés à des champs magnétiques dont les structures rappellent celles produites dans les panaches de cendres et de gaz injectés dans l’atmosphère de la Terre par certaines éruptions volcaniques.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/trou-noir-lofar-revele-activite-volcanique-trou-noir-supermassif-eruptions-58641/

Les ondes gravitationnelles pourraient démontrer que les trous noirs n’existent pas mais sont des boules de cordes

Selon certains calculs en théorie des supercordes, les trous noirs n’existeraient pas mais à la place se formeraient des objets ayant des propriétés similaires appelés des « fuzzballs ». Ces boules diffuses de supercordes auraient des signatures particulières sous forme d’ondes gravitationnelles lors de collisions d’astres que nous pensons, à tort, être de vrais trous noirs.

Depuis la détection des ondes gravitationnelles en 2015 et à un moindre degré grâce aux images de la collaboration Event Horizon Telescope, on pourrait croire que l’existence des trous noirs est un fait avéré. On peut le penser mais on ne peut pas encore l’affirmer et une récente publication dans le célèbre et réputé journal Physical Review D apporte de l’eau au moulin de ceux qui pensent que non seulement les trous noirs n’existent pas mais qu’il sera bientôt possible de le démontrer grâce à l’astronomie gravitationnelle et aux progrès des détecteurs tels Ligo et Virgo.

L’article à ce sujet provient d’une équipe de physiciens basée à l’université de Rome « La Sapienza », la principale université italienne, et il est en accès libre sur arXiv. Pour comprendre de quoi il en retourne, remontons au début des années 1980, alors que ce qui a été baptisé l’âge d’or de la théorie des trous noirs prend fin, et que les théories de la supergravité et dans une moindre mesure des supercordes sont en plein essor.

Suite à ses impressionnants travaux en astrophysique, Subrahmanyan Chandrasekhar se voit remettre le prix Nobel de physique en 1983. Comme d’habitude pour la remise de ce prix, le lauréat donne une conférence. À la fin de celle du grand astrophysicien indien, on trouve de fascinantes remarques concernant la théorie mathématique des trous noirs, qui sont à peu près les suivantes :

« Je ne sais pas si toute la portée de ce que j’ai dit est claire. Laissez-moi vous expliquer. Les trous noirs sont des objets macroscopiques avec des masses variant de quelques masses solaires à des milliards de masses solaires. Lorsqu’ils peuvent être considérés comme stationnaires et isolés, ils sont tous, chacun d’entre eux, décrits exactement par la solution de Kerr. C’est le seul cas connu où nous avons une description exacte d’un objet macroscopique.

Les objets macroscopiques tout autour de nous sont régis par une variété de forces, décrites par diverses approximations de plusieurs théories physiques.

En revanche, les seuls éléments de construction de trous noirs sont nos concepts de base de l’espace et du temps. Ils sont ainsi, presque par définition, les objets macroscopiques les plus parfaits de l’Univers. Et puisque la théorie de la relativité générale nous fournit une famille de solutions dépendant uniquement de deux paramètres pour leur description, ils sont aussi les objets les plus simples de l’Univers. »

Cette simple remarque est à la racine du fameux paradoxe de l’information découlant de la découverte par Stephen Hawking du fameux rayonnement quantique des trous noirs.

En effet, les remarques de Chandrasekhar concernent la théorie des trous noirs déduite rigoureusement de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Comme Hawking et un autre prix Nobel de physique, Roger Penrose vont abondamment le montrer avec leurs collègues, dans le cadre de cette théorie on se doit de considérer que ce qui définit un trou noir c’est uniquement l’existence d’un horizon des événements et absolument pas l’existence d’une singularité de l’espace-temps. Cet horizon des événements est une surface fermée constituant une frontière entourant une région dans laquelle on ne peut qu’entrer et jamais sortir, car il faudrait pour cela dépasser la vitesse de la lumière. On le décrit parfois comme une membrane que l’on ne peut traverser que dans un seul sens et comme toutes les membranes c’est en fait un objet dynamique qui peut vibrer, se déformer, s’étirer mais qui aurait la particularité de ne jamais pouvoir se déchirer.

L’entropie et la théorie de l’information paradoxale des trous noirs
Mais selon les calculs d’Hawking, en décrivant quantiquement le comportement de la lumière et de la matière autour d’un trou noir, ces objets très compacts se mettraient à rayonner comme le ferait un corps chauffé, plus précisément ce que l’on appelle un corps noir. Or, selon la théorie de la thermodynamique ce rayonnement implique qu’un trou noir possède une quantité que l’on appelle l’entropie. Dans tous les systèmes physiques connus, une grande entropie est associée à un objet très complexe dans le sens où il est constitué de très nombreuses particules décrites par un très grand nombre de paramètres et dont on devrait disposer d’un grand nombre d’informations pour les caractériser. Quand un gaz tombe dans un trou noir, cette information n’est plus disponible pour un observateur extérieur. Impossible aussi pour les mêmes raisons de communiquer avec une sonde qui traverserait l’horizon et d’avoir des informations précieuses sur ce que verrait cette sonde puisqu’elle ne pourrait pas envoyer des ondes radio à l’extérieur du trou noir – de plus toute information contenue uniquement dans la mémoire de cette sonde serait irrémédiablement perdue puisque incommunicable à l’extérieur du trou noir.

En pratique donc, depuis la définition de l’information et de l’entropie donnée à partir des travaux de Claude Shannon et de John von Neumann, la perte d’information engendrée par l’horizon des événements se traduit par une entropie. Hawking, en particulier, avait montré avant sa découverte du rayonnement des trous noirs que la surface de l’horizon des événements devait croître quand un trou noir avale quelque chose et cela en plein accord avec la loi de la croissance de l’entropie de la thermodynamique si l’on identifiait la valeur de l’entropie d’un trou noir au produit de la surface de son horizon par une constante de proportionnalité appropriée.

En ayant les déclarations de Chandrasekhar à l’esprit, on comprend tout de suite que quelque chose ne va pas. Les trous noirs sont caractérisés rigoureusement par un petit nombre de paramètres, la masse, le moment cinétique et la charge, indépendamment du fait que l’objet d’une masse donnée qui tomberait dedans soit un bloc de fer ou un livre contenant bien plus d’informations.

En conséquence, les trous noirs ne devraient pas pouvoir contenir beaucoup d’information et une partie ne serait pas simplement cachée mais détruite, ou pour le moins c’est ce que l’on pourrait naïvement en déduire de prime abord de sorte que les trous noirs ne devraient pas pouvoir être dotés d’une forte entropie d’une façon cohérente avec les principes fondamentaux de la physique connue, contrairement à ce qu’impliquent les lois de la thermodynamique et de la mécanique quantique appliquée à ces objets, issues de la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Nous sommes donc confrontés à un paradoxe qui est précisément celui de l’information avec des trous noirs. Il devrait exister des paramètres cachés en très grand nombres derrière le petit nombre de paramètres décrivant un trou noir et les solutions de la théorie d’Einstein ne serait donc que des descriptions artificiellement simplifiées d’un système physique qui pourrait contenir autant de degrés de libertés (positions et vitesses de particules) qu’un gaz comme disent les physiciens dans leur jargon. Les trous noirs ne devraient donc pas être des objets parfaitement « lisses » et simples de la même façon que la Terre n’est pas une sphère de matière parfaitement sphérique et constituée d’un matériau simple et homogène.

Depuis presque une décennie, l’étude de ce paradoxe a conduit à de nouveaux problèmes dont l’un a été débusqué par Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski et James Sully. Il est connu sous le nom de controverse du « pare-feu » (firewall en anglais). Futura a consacré les deux précédents articles, ci-dessous, à sa résolution de sorte que nous ne la détaillerons pas et qu’il sera utile au lecteur pour la suite de s’y référer avant de continuer, mais pas forcément en première lecture.

Il suffit en effet de savoir que l’une des solutions à ce paradoxe est d’admettre que les trous noirs se comportent bel et bien dans beaucoup de situations astrophysique et physique comme s’ils possédaient en pratique un horizon des événements, mais que dans l’absolu ce n’est pas vrai. Un horizon des événements ne serait que ce qu’on appelle en physique un concept effectif et pas fondamental, tout comme il est pratique de considérer que l’eau ou l’air sont des fluides continus permettant des calculs avec les équations de Navier-Stokes, alors qu’en réalité nous savons bien qu’ils sont formés de molécules.

Un gaz de surpercordes autogravitant
On a souvent avancé qu’une théorie quantique de la gravitation et de son couplage à la matière permettrait de résoudre toutes les questions laissées en suspens avec les trous noirs, en supprimant notamment les singularités au cœur des solutions de trous noirs connues en relativité générale. Depuis des années, des physiciens et en particulier Samir Mathur de l’université d’État de l’Ohio ont avancé que ce doit effectivement être le cas en utilisant la théorie de supercordes laquelle impliquerait qu’au-delà du stade d’effondrement d’une étoile à neutrons devenant un trou noir, l’objet un peu plus compact formé serait en fait une boule de supercordes baptisée « fuzzballs » en anglais, une théorie que l’on doit précisément à Samir Mathur.

Si l’on suppose que les particules de matière et même toutes les particules quantiques fondamentales, gluons et bosons de Brout-Englert-Higgs inclus, sont des supercordes vibrantes, alors les calculs montrent que la matière d’une étoile s’effondrant sans recours sous l’horizon des événements associée au trou noir qu’elle semble devenir ne devrait pas finir sous la forme d’un point de densité infini au lieu où l’espace-temps lui-même s’anéantit selon la théorie non quantique d’Einstein, au cœur d’un trou noir. Les supercordes quantiques s’étireraient et s’allongeraient au point de former une sorte de gaz quantique diffus occupant tout le volume à l’intérieur d’un horizon des événements qui ne serait qu’effectif, un peu comme l’est ce qui tient lieu de surface pour le Soleil.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/trou-noir-ondes-gravitationnelles-pourraient-demontrer-trous-noirs-nexistent-pas-mais-sont-boules-cordes-51891/

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

La chasse aux trous noirs « hiérarchiques » vient de commencer

Des chercheurs espèrent pouvoir dénicher quelques spécimens de ce qu’ils ont baptisés des trous noirs « hiérarchiques ». Grâce à de récentes découvertes théoriques, quelques modélisations et surtout, de nouvelles données sur les ondes gravitationnelles.

« La collaboration Ligo et Virgo a déjà mis à jour plus de 50 événements d’ondes gravitationnelles. Dans les prochaines années, il y en aura des milliers d’autres. Autant d’occasions de découvrir ou de confirmer l’existence d’objets étonnants », explique Maya Fishbach, chercheur à l’université de Northwestern (États-Unis) dans un communiqué de l’université de Birmingham (Royaume-Uni). La chasse est donc bel et bien ouverte !

La chasse à quoi ? La chasse à ce que les astrophysiciens ont baptisés les trous noirs « hiérarchiques ». Ce sont de drôle de spécimens. Les résultats de plusieurs étapes de fusions. Des trous noirs qui ont attiré récemment l’attention des chercheurs. Car certains des signaux détectés par Ligo et Virgo défiaient leurs prévisions. Ils montraient en effet des trous noirs issus d’une fusion entre deux objets de masses très différentes.

Des fusions de trous noirs en cascade
Pour expliquer ce phénomène, les astrophysiciens ont supposé que l’un des trous noirs impliqués dans l’événement de fusion devait lui-même déjà être le résultat d’une précédente fusion de trous noirs. « Nous pensons que la plupart des ondes gravitationnelles détectées jusqu’à présent sont le résultat de la collision de trous noirs de première génération, précise Davide Gerosa, astronome à l’université de Birmingham. Mais nous estimons qu’il y a de fortes chances que d’autres contiennent les vestiges de fusions précédentes. Ces événements auront des signatures d’ondes gravitationnelles distinctives suggérant des masses plus élevées et une rotation inhabituelle causée par la collision parentale ».

Comprendre les caractéristiques de l’environnement dans lequel de tels objets pourraient être produits aidera également à affiner la recherche. Sans doute un environnement avec un grand nombre de trous noirs et suffisamment dense pour les retenir après leur fusion, afin qu’ils puissent fusionner encore. Pour l’heure, l’événement GW190521, détecté en 2019, semble le candidat le plus prometteur.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/trou-noir-chasse-trous-noirs-hierarchiques-vient-commencer-92776/

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.

Propulsé par HelloAsso

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/

Pour la première fois, on a vu de la lumière émise derrière un trou noir

De la lumière jaillissant derrière un trou noir a été observée pour la toute première fois. Ce phénomène a été observé par deux télescopes spatiaux, qui ont capté des « photons courbés » autour du trou noir supermassif situé au centre de la galaxie I Zwicky 1.

C’est une observation spectaculaire, qui implique l’un des objets les plus fascinants de tout l’univers. Dans la revue scientifique de référence Nature, une équipe de scientifiques a rapporté le 28 juillet une détection impressionnante : les tout premiers enregistrements de rayons X émis derrière un trou noir (derrière la « face » que nous ne pouvons pas voir). La découverte a également été relayée dans un communiqué de l’Agence spatiale européenne (Esa).

« Nous rapportons ici des observations d’éruptions de rayons X émises autour du trou noir supermassif dans I Zw 1 », peut-on lire dans l’étude. Les scientifiques s’intéressent à un trou noir supermassif, qui représente 10 millions de fois la masse du Soleil, et dont le diamètre est estimé à 30 millions de kilomètres. Il se trouve au centre d’une galaxie spirale, baptisée I Zwicky 1 (et dont le nom est abrégé en I Zw 1), qui se trouve à 800 millions d’années-lumière de nous.

UNE GRAVITÉ EXTRÊME QUI COURBE LA LUMIÈRE
Ces éruptions brillantes de rayons X ont pu être observées à l’aide de deux observatoires spatiaux, le télescope XMM-Newton de l’Esa et le télescope NuSTAR de la Nasa, au mois de janvier 2020. Comme l’indique l’Esa, les astronomes ne pensaient rien voir émerger derrière le trou noir, puisqu’aucune lumière ne peut s’échapper de ce type d’objet céleste. Néanmoins, sous l’effet de la gravité extrême du trou noir, qui déforme l’espace autour de lui, cette lumière a été courbée autour du trou noir, permettant aux deux télescopes de la détecter.

Au départ, l’objectif des scientifiques était de mieux comprendre la « couronne » du trou noir, une structure de 60 millions de kilomètres au-dessus du trou noir, d’où proviennent ces rayons X lumineux. « Les régions les plus internes des disques d’accrétion [ndlr : la matière en orbite autour du trou noir] autour des trous noirs sont fortement irradiées par des rayons X émis par une couronne compacte très variable, à proximité immédiate du trou noir », écrivent les auteurs. La couronne semble être produite par cette matière tombant en continu dans le trou noir, dans le disque d’accrétion.

Le processus auquel les scientifiques ont assisté peut être décrit étape par étape :

La matière tombe dans le trou noir dans un disque d’accrétion très chaud,
Des éruptions brillantes de rayons X sont produites par la couronne du trou noir,
Les rayons X sont réfléchis par le disque d’accrétion,
Les télescopes ont enregistré des éruptions plus faibles : ce sont les rayons X qui ont « rebondi » sur le gaz situé derrière le trou noir, et qui ont été courbés autour du trou noir du fait de la gravité.

DES PHOTONS COURBÉS AUTOUR DU TROU NOIR
« Ce sont des photons qui se réverbèrent de l’autre côté du disque, et sont courbés autour du trou noir et amplifiés par le fort champ gravitationnel, résument les auteurs de l’étude. L’observation de photons courbés autour du trou noir confirme une prédiction clé de la relativité générale. » Ces observations vont effectivement dans le sens des prédictions d’Einstein, sur la manière dont la gravité peut courber la lumière autour des trous noirs.

Une énigme reste néanmoins à résoudre : il faudrait encore parvenir à expliquer comment la couronne est capable d’émettre des rayons X aussi brillants.

Source : https://www.numerama.com/sciences/729633-pour-la-premiere-fois-on-a-vu-de-la-lumiere-emise-derriere-un-trou-noir.html

Un puissant jet de trou noir photographié avec des détails sans précédent

De nouvelles images obtenues grâce à l’Event Horizon Telescope (EHT) nous révèlent un puissant jet relativiste éjecté depuis le trou noir supermassif de la galaxie Centaurus A avec une résolution seize fois plus nette qu’auparavant. Ces données pourraient aider à éclaircir le mystère de la façon dont se comporte la matière autour de ces ogres cosmiques.

Il y a un peu plus de deux ans, la collaboration Event Horizon Telescope nous révélait l’incroyable toute première image de l’ombre d’un trou noir. Initiée par le docteur Shep Doelman, du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian, cette aventure impliquait de simuler un télescope géant, de la taille de la Terre, combinant la sensibilité de huit radiotélescopes disséminés autour du monde.

En 2017, alors qu’il s’attelait à photographier ce fameux trou noir, retrouvé au centre de la galaxie M87, l’Event Horizon Telescope (EHT) s’est également focalisé sur la galaxie Centaurus A, distante d’environ 12 millions d’années-lumière. Découverte en 1949, il s’agit de l’un des objets les plus brillants et les plus grands du ciel nocturne sous les longueurs d’onde radio.

Jets relativistes
Ces travaux ont fini par produire une image spectaculaire nous permettant d’apprécier la naissance des longs jets radio émanant du trou noir supermassif de la galaxie.

Pour rappel, les trous noirs supermassifs “avalent” quasiment tout ce qui vient se frotter un peu trop près. Dans certains cas, il arrive en revanche que de la matière parvienne d’une manière ou d’une autre à échapper à la puissante attraction de ces objets, pour finalement parcourir l’espace sur des millions d’années-lumière. Leur mécanisme de formation n’est pas encore bien compris, mais nous savons que ces jets figurent parmi les phénomènes astrophysiques les plus puissants de l’univers.

Cette image nous montre des détails sur environ 0,6 jour-lumière. Autrement dit, elle ne couvre qu’une petite région située autour du trou noir géant de 55 millions de masses solaires.

“Cela nous permet pour la première fois de voir et d’étudier un jet radio extragalactique à des échelles inférieures à la distance parcourue par la lumière en une journée“, a déclaré l’astronome Michael Janssen de l’Institut Max Planck de radioastronomie en Allemagne, qui publie ces travaux dans la revue Nature Astronomy. “Nous voyons de près comment un jet monstrueusement gigantesque lancé par un trou noir supermassif est en train de naître“.

Ces nouvelles images ont également révélé que les zones du jet les plus éloignées du centre sont plus lumineuses que les parties les plus proches du trou noir. Ce phénomène est encore inexpliqué par les chercheurs. À l’avenir, ces derniers prévoient de s’appuyer sur des observatoires spatiaux pour imager l’environnement entourant le trou noir de Centaurus A à des longueurs d’onde encore plus courtes et avec une résolution encore plus élevée.

Source : https://sciencepost.fr/photo-puissant-jet-de-trou-noir/

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/