On pense que les trous noirs supermassifs sont nés de la fusion successive de trous noirs plus petits, chacun apportant avec lui un moment cinétique qui accélère la rotation du trou noir auquel ils donnent naissance. Par conséquent, mesurer la rotation des trous noirs supermassifs peut donner un aperçu de leur histoire – et une nouvelle étude suggère une nouvelle façon de faire de telles inférences, basée sur l’influence des trous noirs en rotation sur la structure même de l’espace et du temps.
L’espace-temps agité et les étoiles détruites aident à révéler la vitesse de rotation des trous noirs supermassifs. Les restes “oscillants” d’une étoile décédée d’une mort horrible dans les mâchoires d’un trou noir supermassif ont contribué à révéler la vitesse à laquelle tourne son dévoreur, rapporte la revue Nature.
L’étoile condamnée au centre de cette étude a été déchirée par un trou noir supermassif lors d’un soi-disant événement de perturbation des marées (TDE). Ces événements commencent lorsqu’une étoile se rapproche trop de l’influence gravitationnelle massive d’un trou noir. Une fois suffisamment proche, d’énormes forces de marée sont générées à l’intérieur de l’étoile, qui la serrent horizontalement et l’étirent verticalement. C’est ce qu’on appelle la “spaghettification”, et c’est un processus qui transforme une étoile en un brin de pâte stellaire, mais, plus important encore, la totalité n’est pas consommée par le trou noir destructeur.
Une partie de cette matière est emportée par le vent et une autre enveloppe le trou noir, formant un nuage aplati appelé disque d’accrétion. Non seulement ce disque d’accrétion alimente progressivement le trou noir central, mais les mêmes forces de marée qui ont initialement déchiré l’étoile produisent également d’énormes forces de friction qui réchauffent ce bol de gaz et de poussière, le faisant briller vivement.
Illustration montrant un trou noir supermassif en rotation entouré de débris d’une étoile morte et entraînant avec lui l’espace-temps (grille verte)
De plus, lorsque les trous noirs supermassifs tournent, ils entraînent avec eux le tissu même de l’espace-temps (l’unité quadridimensionnelle de l’espace et du temps). Cet effet «Lense-Thirring», ou «effet de traînage de cadre», signifie que rien ne reste immobile au bord d’un trou noir supermassif en rotation. L’effet provoque également une brève «oscillation» dans le disque d’accrétion nouvellement formé du trou noir.
Une équipe de chercheurs a découvert que le «wobble» de ce disque d’accrétion pouvait être utilisé pour déterminer la vitesse de rotation du trou noir central. L’effet de traînage d’image est présent dans tous les trous noirs en rotation. Si le trou noir destructeur tourne, alors le flux de débris stellaires sur le trou noir après le TDE est soumis à cet effet.
Pour l’étude TDE et frame-dragging, l’équipe a passé cinq ans à rechercher des exemples brillants et relativement proches de fragmentation stellaire provoquée par des trous noirs qui pourraient être rapidement suivis. L’objectif était de détecter les signes de précession du disque d’accrétion provoqués par l’effet Lense-Thirring.
En février 2020, cette recherche a abouti. L’équipe a pu détecter AT2020ocn, un éclair lumineux provenant d’une galaxie située à environ un milliard d’années-lumière. AT2020ocn a été initialement détecté aux longueurs d’onde optiques par l’installation transitoire de Zwicky, ces données de lumière visible indiquant que l’émission provenait d’un TDE impliquant un trou noir supermassif d’une masse comprise entre 1 million et 10 millions de masses solaires.
En raison de l’effet Lense-Thirring, l’émission de rayons X provenant du disque d’accrétion chaud nouvellement formé précesse ou “oscille”. Cela apparaît sous forme de modulations de rayons X dans les données. Cependant, après un certain temps, à mesure que la puissance d’accrétion diminue, la gravité force le disque à s’aligner avec le trou noir, après quoi les oscillations et les modulations des rayons X s’arrêtent.
Une illustration d’un trou noir déchirant une étoile en raison de la perturbation des marées. Une image d’un trou noir en rotation entraînant avec lui l’espace-temps. ESA/C. Carreau/Robert Léa
Le TDE qui a déclenché AT2020ocn pourrait être un événement idéal pour rechercher la précession Lense-Thirring, et comme ce type d’oscillation n’est présent que pendant les premiers stades de la formation du disque d’accrétion, ils ont dû agir rapidement.
La seule façon d’observer est qu’une fois qu’une perturbation de marée se produit, vous devez forcer le télescope à regarder cet objet en continu pendant très longtemps, pour examiner toutes sortes d’échelles de temps, de quelques minutes à quelques mois.
C’est là qu’intervient le Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) de la NASA: un télescope à rayons X situé sur la Station spatiale internationale (ISS) qui mesure les émissions de rayons X autour des trous noirs et d’autres objets massifs ultra-dense et compacts tels que les étoiles à neutrons. L’équipe a découvert que NICER était non seulement capable de capter le TDE, mais que le télescope à rayons X monté sur l’ISS était également capable de surveiller en permanence l’événement au fur et à mesure qu’il se déroulait sur plusieurs mois.
La luminosité des rayons X et la température de la région émettrice de rayons X après TDE sont modulées sur une échelle de temps de 15 jours. Ce signal radiographique répétitif de 15 jours disparaît au bout de trois mois.
Les résultats de l’étude ont également été une surprise.
Les estimations de la masse du trou noir et de la masse de l’étoile détruite ont montré que le trou noir ne tourne pas aussi vite que prévu. Le trou noir ne tourne pas aussi vite – seulement moins de 25 % de la vitesse de la lumière.
Grâce à l’observatoire Vera K. Rubin, actuellement en construction dans le nord du Chili, qui mènera une étude de l’univers sur 10 ans appelée Legacy Survey of Space and Time (LSST), la chasse au TDE devrait avoir un bel avenir. . Rubin découvrira des milliers de TDE au cours de la prochaine décennie. Si nous pouvons mesurer la précession Lense-Thirring, même d’une petite partie d’entre eux, nous pouvons dire quelque chose sur la distribution de spin des trous noirs supermassifs, qui est liée à la façon dont ils ont évolué au cours de l’âge de l’Univers.
Des trous noirs insaisissables de taille moyenne peuvent se former dans des «nids de naissance» denses. La modélisation a montré que des trous noirs d’une masse comprise entre 100 et 10 000 masses solaires peuvent naître à la suite d’une chaîne chaotique de collisions stellaires, rapporte le magazine Science.
Les chercheurs ont découvert que des trous noirs insaisissables de masse intermédiaire peuvent se former dans des amas d’étoiles denses contenant des dizaines de milliers, voire des millions d’étoiles très serrées, appelées «amas globulaires».
Un trou noir de masse intermédiaire a une masse comprise entre 100 et 10 000 soleils. Ils sont plus lourds que les trous noirs de masse solaire, dont la masse varie de 10 à 100 masses solaires, mais plus légers que les trous noirs supermassifs, qui ont des masses équivalentes à des millions, voire des milliards de soleils.
Ces objets cosmiques intermédiaires se sont révélés insaisissables pour les astronomes, le premier exemple ayant été découvert en 2012. Désignée GCIRS 13E, elle a une masse 1 300 fois celle du Soleil et se situe à 26 000 années-lumière, en direction du centre galactique de la Voie lactée.
L’un des mystères entourant les trous noirs de masse intermédiaire concerne leur formation. Les trous noirs de masse stellaire naissent lorsque des étoiles massives s’effondrent, et les trous noirs supermassifs se développent à la suite de fusions ultérieures de trous noirs de plus en plus grands. Cependant, une étoile suffisamment massive pour mourir et créer un trou noir avec des milliers de masses solaires doit être incroyablement rare et doit lutter pour maintenir cette masse pendant qu’elle «meurt».
L’amas globulaire Messier 92, situé à 27 000 années-lumière dans la constellation d’Hercule. ESA/NASA/Hubble
Pour explorer le mystère de la naissance de ces trous noirs de masse intermédiaire, une équipe de chercheurs a mené les toutes premières simulations stellaires d’amas massifs. Cela a montré qu’un «nid de maternité» de nuages moléculaires suffisamment denses d’amas globulaires peut créer des étoiles suffisamment massives pour s’effondrer et donner naissance à un trou noir de masse intermédiaire.
“Des observations antérieures suggéraient que certains amas d’étoiles massifs, les amas globulaires, contiennent un trou noir de masse intermédiaire”, a déclaré Michiko Fujii, chef d’équipe et scientifique de l’Université de Tokyo, dans un communiqué. “Jusqu’à présent, il n’y avait aucune preuve théorique convaincante pour soutenir l’existence d’un trou noir de masse intermédiaire avec une masse comprise entre 1 000 et 10 000 masses solaires, par rapport à des trous moins massifs (masse stellaire) et plus massifs (supermassifs).”
Le terme «nid de maternité» peut très bien évoquer des images et des sentiments de chaleur, de confort et de calme, mais il ne pourrait pas être moins approprié pour décrire la formation d’étoiles dans des amas globulaires. Ces conglomérats d’étoiles très serrés vivent dans le chaos et la confusion, avec des différences de densité provoquant des collisions et des fusions d’étoiles. Ce processus amène les étoiles à accumuler de la masse, augmentant ainsi leur influence gravitationnelle, attirant davantage d’étoiles à proximité et provoquant ainsi de plus en plus de fusions.
Les processus de collision et de fusion incontrôlables se produisant au cœur des amas globulaires peuvent créer des étoiles d’une masse équivalente à environ 1 000 soleils. Cette masse est suffisante pour créer un trou noir de masse intermédiaire, mais il y a un obstacle.
Les astrophysiciens savent que lorsque les étoiles s’effondrent pour former des trous noirs, une grande partie de leur masse est emportée par les explosions de supernova ou les vents stellaires. Des simulations antérieures de la formation de trous noirs de masse intermédiaire l’ont confirmé, suggérant en outre que même des étoiles massives d’une masse de 1 000 masses solaires seraient trop petites pour créer un trou noir de masse intermédiaire.
L’image, obtenue grâce à une simulation sur superordinateur, montre la formation d’un amas de résine dans un nuage moléculaire géant. Michiko Fuji et Takaaki Takeda, 2024
Pour savoir si une étoile massive pourrait survivre avec une masse suffisante pour donner naissance à un trou noir de masse intermédiaire, Fujii et son équipe ont simulé un amas globulaire lors de sa formation.
“Nous avons réalisé avec succès des simulations numériques de la formation d’amas globulaires en simulant pour la première fois des étoiles individuelles”, a déclaré Fujii. «En résolvant des étoiles individuelles avec des masses réalistes pour chacune, nous avons pu reconstruire des collisions stellaires dans un environnement densément peuplé. Pour ces simulations, nous avons développé un nouveau code de simulation dans lequel nous pourrions intégrer des millions d’étoiles avec une grande précision.»
Dans l’amas globulaire simulé, des collisions et des fusions incontrôlables ont produit des étoiles extrêmement massives, capables de conserver suffisamment de masse pour s’effondrer et donner naissance à un trou noir de masse intermédiaire.
L’équipe a également découvert que la simulation prédisait le rapport de masse entre un trou noir de masse intermédiaire et l’amas globulaire dans lequel il se forme. Cette relation s’avère cohérente avec les observations astronomiques réelles.
“Notre objectif ultime est de simuler des galaxies entières”, a expliqué Fujii. «Il reste difficile de simuler des galaxies de la taille de la Voie lactée en étudiant des étoiles individuelles à l’aide des superordinateurs actuellement disponibles. Cependant, il serait possible de modéliser des galaxies plus petites, comme les galaxies naines.»
Fujii et son équipe ont également l’intention de cibler les amas d’étoiles formés au début de l’Univers. “Les premiers amas sont également des endroits où des trous noirs de masse intermédiaire peuvent naître”, a-t-elle déclaré.
Les étoiles disparaissent-elles dans leurs propres trous noirs? Les scientifiques ont trouvé des preuves irréfutables que certaines étoiles massives finissent leur vie en plongeant dans un trou noir qu’elles ont eux-mêmes créé, sans la lumière ni la fureur d’une supernova, rapporte la revue Physical Review Letters.
Les étoiles génèrent de l’énergie grâce à des processus de fusion nucléaire dans leur noyau, par lesquels elles convertissent l’hydrogène en hélium. Lorsque les étoiles, qui font au moins huit fois la masse de notre Soleil, manquent de cette réserve d’hydrogène, elles commencent des réactions de fusion impliquant d’autres éléments – hélium, carbone, oxygène, etc., jusqu’à ce qu’elles disposent d’un noyau inerte de fer. plus d’énergie pour une réaction de fusion que ce qu’elle peut produire. À ce stade, les réactions de fusion s’arrêtent et la production d’énergie qui maintient l’étoile ensemble s’évapore. Soudainement, la gravité prend le dessus et provoque l’effondrement du noyau, tandis que les couches externes de l’étoile rebondissent sur le noyau qui s’effondre et explosent vers l’extérieur, formant une supernova qui, en quelques semaines, peut parfois briller plus fort qu’une galaxie entière.
Pendant ce temps, le noyau qui s’effondre forme un objet compact. Cet objet est souvent une étoile à neutrons en rotation appelée pulsar, mais dans certaines conditions, il peut s’agir d’un trou noir de masse stellaire. C’est l’histoire standard des chronologies stellaires. Cependant, les astronomes commencent désormais à penser que certaines étoiles qui produisent des trous noirs pourraient le faire sans devenir une supernova.
Les chercheurs ont parfois remarqué des cas de supernovae ratées, des étoiles qui commencent à briller comme si elles étaient sur le point d’exploser, puis disparaissent et disparaissent. Ailleurs, les études d’anciennes plaques photographiques du projet VASCO (Vanishing and Appearing Objects in a Century of Observations) dirigé par Beatriz Villarroel ont découvert des dizaines d’étoiles sur ces anciennes plaques qui ne sont tout simplement plus visibles; comme s’ils avaient disparu sans laisser de trace.
Ces supernovae ratées et ces étoiles en voie de disparition pourraient-elles être la preuve que les étoiles sont presque entièrement aspirées dans le trou noir qu’elles forment avant d’avoir une chance d’exploser? Eh bien, peut-être, pensent certains scientifiques.
“Si l’on regardait une étoile visible en train de s’effondrer totalement, cela pourrait être, au bon moment, comme si l’étoile s’éteignait soudainement et disparaissait du ciel”, a déclaré Alejandro Viña-Gomez, astrophysicien de l’Institut Max Planck. en Allemagne dans un communiqué. “Les astronomes ont en effet récemment observé la disparition soudaine d’étoiles brillantes.”
Rendu artistique de VFTS 243, comprenant une étoile massive et un trou noir. ESO/L. Calçada
Bien que cette idée ne reste qu’une théorie, elle s’appuie désormais sur des preuves solides sous la forme d’un étrange système binaire étudié par Viña-Gómez et son équipe. Le système, désigné VFTS 243, a été découvert en 2022 et est situé dans la nébuleuse de la Tarentule, qui se trouve dans le Grand Nuage de Magellan ; il contient une étoile de 25 masses solaires et un trou noir de 10 masses solaires qui doivent avoir été créés par une étoile massive qui a atteint la fin de sa vie relativement récemment, selon les normes cosmiques.
“VFTS 243 est un système inhabituel”, a déclaré Viña-Gomez. “Même si VFTS 243 contient une étoile qui s’est effondrée dans un trou noir, aucune preuve d’explosion n’a été trouvée nulle part.”
Par exemple, les orbites de l’étoile et du trou noir dans VFTS 243 autour de leur centre de masse commun sont encore presque circulaires. Cependant, les explosions de supernova sont asymétriques, avec un peu plus d’énergie produite dans une direction que dans l’autre, ce qui devrait donner à l’objet compact un «coup de pied natal». Une telle poussée accélérerait l’objet compact, provoquant une expansion et un allongement de son orbite. Cette secousse varie généralement de 30 à 100 kilomètres (19 à 62 miles) par seconde, mais le trou noir du VFTS 243 n’a reçu qu’une secousse de quatre kilomètres (2,5 miles) par seconde au maximum.
Les effets des chocs natals ont déjà été observés chez les pulsars, mais jamais auparavant dans les trous noirs de masse stellaire. Il est possible que cela nous renseigne sur la façon dont les trous noirs de masse stellaire se forment, et VFTS 243 est l’aperçu le plus clair à ce jour des résultats de ce processus.
Les tremblements de naissance sont le résultat de trois choses: l’éjection de débris de l’étoile qui explose, l’émission de neutrinos du noyau de l’étoile qui s’effondre et les ondes gravitationnelles. Cependant, s’il n’y avait pas de supernova, il n’y aurait pas de débris, ne laissant que des neutrinos et des ondes gravitationnelles, produisant une poussée beaucoup plus faible – ce que nous voyons dans VFTS 243.
Si cela est vrai, cela signifie que bon nombre des étoiles les plus massives de l’Univers qui brillent si intensément finissent leur vie dans l’obscurité silencieuse alors qu’elles sont aspirées dans l’oubli par un trou noir. Cela pourrait également être le sort final de l’étoile survivante de VFTS 243 lorsqu’elle atteindra la fin de sa vie.
Il y a également des implications plus larges. Une explosion de supernova est une usine d’éléments. Non seulement des éléments tels que l’oxygène, le carbone et l’azote provenant des couches externes d’une étoile mourante sont libérés dans l’espace où ils peuvent être recyclés dans la prochaine génération d’étoiles et de planètes, mais la chaleur et l’énergie intenses d’une onde de choc de supernova peuvent conduire à la formation d’éléments encore plus lourds dans les débris de supernova. Par exemple, l’une des raisons pour lesquelles les supernovae brillent si intensément et pendant si longtemps est que la désintégration radioactive des isotopes du nickel produite lors de l’explosion produit du cobalt et du fer.
Cependant, si certaines étoiles massives s’effondrent complètement en trous noirs sans explosions de supernova, elles ne pourront alors pas contribuer à la création et au traitement des éléments. Ainsi, les cosmochimistes devront intégrer ce concept, s’il est effectivement correct, dans leurs modèles de formation et de distribution des éléments dans l’espace. Ce n’est qu’alors qu’ils pourront commencer à comprendre pleinement l’évolution chimique des galaxies, y compris la nôtre, et la rapidité avec laquelle les éléments nécessaires peuvent s’accumuler pour former des planètes comme la Terre, peut-être même avec leur propre vie créée à partir d’éléments produits par l’explosion d’étoiles.
Les scientifiques ont confirmé pour la première fois que la structure de l’espace-temps elle-même effectue un «dernier saut» au bord d’un trou noir. L’observation de cette région en mouvement rapide autour des trous noirs a été réalisée par des astrophysiciens du département de physique de l’Université d’Oxford et a contribué à confirmer une prédiction clé de la théorie de la gravité d’Albert Einstein de 1915: la relativité générale, rapporte la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
L’équipe d’Oxford a fait cette découverte en se concentrant sur les régions entourant les trous noirs de masse stellaire dans les systèmes binaires avec des étoiles compagnes situées relativement près de la Terre. Les chercheurs ont utilisé des données de rayons X collectées à partir de divers télescopes spatiaux, notamment le télescope spectroscopique nucléaire (NuSTAR) de la NASA et le Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) de la Station spatiale internationale.
Ces données leur ont permis de déterminer le sort du gaz ionisé chaud et du plasma arrachés à l’étoile compagne, qui a plongé une dernière fois à l’extrême bord de son trou noir associé. Les résultats ont montré que ces régions de plongée autour du trou noir abritent certains des points d’influence gravitationnelle les plus puissants jamais observés dans notre galaxie, la Voie lactée.
“Il s’agit du premier aperçu de la façon dont le plasma arraché du bord extérieur d’une étoile subit sa chute finale au centre d’un trou noir, un processus se produisant dans un système situé à environ 10 000 années-lumière”, a déclaré le chef de l’équipe et physicien de l’Université d’Oxford. Andrew Mummery dans un communiqué. “La théorie d’Einstein prédisait que cet effondrement final aurait lieu, mais c’est la première fois que nous parvenons à démontrer qu’il se produit.”
Une étoile «ordinaire» est dans un système binaire avec un trou noir dont la masse suit du premier au second. ICRAR
«Imaginez une rivière qui se transforme en cascade: jusqu’à présent, nous avons regardé la rivière. C’est notre premier aperçu de la cascade.”
La théorie de la relativité générale d’Einstein suggère que les objets ayant une masse font plier le tissu même de l’espace et du temps, combinés en une seule entité à quatre dimensions appelée «espace-temps». La gravité résulte de la courbure qui en résulte.
Bien que la relativité générale fonctionne en 4D, elle peut être vaguement illustrée par une analogie grossière en 2D. Imaginez placer des sphères de masse croissante sur une feuille de caoutchouc étirée. Une balle de golf laissera une petite entaille presque imperceptible; une balle de cricket laissera une grosse brèche; et la boule de bowling est une énorme bosse. Ceci est analogue à la façon dont les lunes, les planètes et les étoiles «se pressent» dans l’espace-temps 4D. À mesure que la masse d’un objet augmente, la courbure qu’il provoque augmente également, et donc son influence gravitationnelle augmente. Le trou noir ressemblera à un boulet de canon sur cette feuille de caoutchouc similaire.
Avec des masses équivalentes à des dizaines, voire des centaines de soleils compressés en largeur près de la Terre, la courbure de l’espace-temps et l’influence gravitationnelle des trous noirs de masse stellaire peuvent devenir assez extrêmes. Les trous noirs supermassifs, en revanche, sont une toute autre histoire. Ils sont extrêmement massifs, avec des masses équivalentes à des millions, voire des milliards de soleils, éclipsant même leurs homologues de masse stellaire.
Revenant à la relativité générale, Einstein a proposé que cette courbure de l’espace-temps conduise à d’autres physiques intéressantes. Par exemple, dit-il, il doit y avoir un point juste au-delà du bord d’un trou noir où les particules ne peuvent pas suivre une orbite circulaire ou stable. Au lieu de cela, la matière qui pénètre dans cette région se précipitera vers le trou noir à une vitesse proche de celle de la lumière.
L’illustration montre un trou noir provoquant une déformation «plongeante» dans l’espace-temps. Robert Lee
Comprendre la physique de la matière dans cette hypothétique région de trou noir en train de couler est un objectif des astrophysiciens depuis un certain temps. Pour résoudre ce problème, l’équipe d’Oxford a étudié ce qui se passe lorsque des trous noirs existent dans un système binaire avec une étoile «ordinaire».
Si les deux étoiles sont suffisamment proches ou si l’étoile est légèrement gonflée, l’attraction gravitationnelle du trou noir peut extraire le matériau stellaire. Étant donné que ce plasma a un moment cinétique, il ne peut pas tomber directement sur le trou noir. Il forme donc un nuage aplati et rotatif autour du trou noir appelé disque d’accrétion.
À partir de ce disque d’accrétion, la matière s’écoule progressivement vers le trou noir. Selon les modèles d’alimentation des trous noirs, il devrait y avoir un point appelé orbite circulaire stable interne (ISCO) – le dernier point où la matière peut continuer à tourner de manière stable dans le disque d’accrétion. Toute matière au-delà de cela se trouve dans la «région de plongée» et commence sa descente inévitable dans la gueule du trou noir. Le débat sur la possibilité de découvrir cette région en train de couler a été réglé lorsque l’équipe d’Oxford a découvert les émissions des disques d’accrétion ISCO autour d’un trou noir binaire de la Voie lactée appelé MAXI J1820+070.
Situé à environ 10 000 années-lumière de la Terre et ayant une masse d’environ huit soleils, le composant trou noir de MAXI J1820+070 aspire la matière de son compagnon stellaire tout en projetant simultanément deux jets à environ 80 % de la vitesse de la lumière; il produit également des rayons X puissants.
L’équipe a découvert que le spectre des rayons X de MAXI J1820+070 est dans «l’état mou» de l’explosion, qui est une émission du disque d’accrétion entourant le trou noir de Kerr en rotation – l’ensemble du disque d’accrétion, y compris la région immergée.
Les chercheurs affirment que ce scénario représente la première détection fiable du rayonnement provenant d’une région de subduction située sur le bord interne du disque d’accrétion d’un trou noir; ils appellent ces signaux «émissions intra-ISCO». Ces émissions intra-ISCO confirment l’exactitude de la relativité générale dans la description des régions entourant immédiatement les trous noirs.
Pour poursuivre ces recherches, une équipe distincte du Département de physique d’Oxford collabore avec l’Initiative européenne du télescope millimétrique africain. Ce télescope devrait accroître la capacité des scientifiques à imager directement les trous noirs et leur permettre d’étudier les régions de subduction de trous noirs plus éloignés.
“Ce qui est vraiment excitant, c’est qu’il y a beaucoup de trous noirs dans la galaxie, et nous disposons désormais d’une nouvelle méthode puissante pour les utiliser afin d’étudier les champs gravitationnels les plus puissants connus”, a conclu Mummery.
Les physiciens considèrent les trous noirs comme l’un des objets les plus mystérieux qui existent. Ironiquement, ils sont également considérés comme parmi les plus simples. Depuis des années, les physiciens tentent de prouver que les trous noirs sont plus complexes qu’il n’y paraît.
Les recherches menées dans les années 1970 montrent qu’il est possible de décrire de manière exhaustive un trou noir en utilisant seulement trois attributs physiques: sa masse, sa charge et sa rotation. Toutes les autres propriétés de ces étoiles massives mourantes, telles que leur composition détaillée, leurs profils de densité et de température, disparaissent lorsqu’elles se transforment en trou noir. C’est dire à quel point ils sont simples.
L’idée selon laquelle les trous noirs n’ont que trois attributs s’appelle le théorème de l’absence de poils, ce qui implique qu’ils ne possèdent aucune des caractéristiques poilues qui les rendent complexes.
Pendant des décennies, les chercheurs de la communauté astrophysique ont utilisé des failles ou des solutions de contournement dans les hypothèses du théorème sans poils pour proposer des scénarios potentiels de trous noirs poilus. Un trou noir poilu possède une propriété physique que les scientifiques peuvent mesurer – en principe – et qui va au-delà de sa masse, de sa charge ou de sa rotation. Cette propriété doit faire partie intégrante de sa structure.
Il y a environ dix ans, Stefanos Aretakis, physicien aujourd’hui à l’Université de Toronto, a démontré mathématiquement qu’un trou noir contenant la charge maximale qu’il peut contenir – appelé trou noir extrêmement chargé – développerait des «poils» à son horizon. L’horizon d’un trou noir est une limite au-delà de laquelle rien de ce qui le traverse, pas même la lumière, ne peut franchir.
La sonde spatiale LISA observe les ondes gravitationnelles provenant d’une source lointaine alors qu’elles tournent autour du Soleil. Simon Bark/Université de Floride, CC BY
L’analyse d’Aretakis était plutôt une expérience de pensée utilisant un scénario physique très simplifié, ce n’est donc pas quelque chose que les scientifiques s’attendraient à observer de manière astrophysique. Mais les trous noirs suralimentés ne sont peut-être pas les seuls à pouvoir avoir des cheveux.
Comme on sait que les objets astrophysiques tels que les étoiles et les planètes tournent, les scientifiques s’attendent à ce que les trous noirs tournent également en fonction de la manière dont ils se forment. Les données astronomiques ont montré que les trous noirs ont effectivement une rotation, bien que les chercheurs ne connaissent pas la valeur de rotation typique d’un trou noir astrophysique.
Une onde gravitationnelle est une minuscule perturbation de l’espace-temps, généralement causée par de violents événements astrophysiques survenant dans l’Univers. Les collisions d’objets astrophysiques compacts tels que les trous noirs et les étoiles à neutrons émettent de fortes ondes gravitationnelles. Un réseau international d’observatoires d’ondes gravitationnelles, dont le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory aux États-Unis, détecte régulièrement ces ondes.
Illustration d’un trou noir supermassif. NASA/JPL
En janvier 2024, l’Agence spatiale européenne a officiellement accepté la mission LISA (Laser Interferometer Space Array), qui recherchera des ondes gravitationnelles. Le lancement est prévu pour 2035. LISA se compose de trois vaisseaux spatiaux configurés dans un triangle équilatéral parfait qui suivra la Terre autour du Soleil. Les vaisseaux spatiaux seront distants de 2,5 millions de kilomètres et échangeront des faisceaux laser pour mesurer la distance entre eux à un milliardième de pouce près.
LISA détectera les ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs qui sont des millions, voire des milliards de fois plus massifs que notre Soleil. Il cartographiera l’espace-temps autour des trous noirs en rotation, aidant ainsi les physiciens à comprendre le fonctionnement de la gravité à proximité immédiate des trous noirs avec une précision sans précédent. Les physiciens espèrent que LISA sera également capable de mesurer les attributs poilus que pourraient avoir les trous noirs.
Vous êtes-vous déjà demandé ce qui se passe lorsque vous tombez dans un trou noir? Désormais, grâce à une nouvelle visualisation à couper le souffle créée sur le supercalculateur de la NASA, les spectateurs peuvent plonger dans l’horizon des événements, le point de non-retour d’un trou noir.
“Les gens posent beaucoup de questions à ce sujet, et la modélisation de ces processus difficiles à imaginer m’aide à relier les mathématiques de la relativité aux conséquences réelles dans l’univers réel”, a déclaré Jeremy Schnittman, astrophysicien au Goddard Space Flight Center à Greenbelt. Maryland, qui a créé les visualisations. “J’ai donc simulé deux scénarios différents: un dans lequel la caméra, la remplaçante de l’audacieux astronaute, rate tout simplement l’horizon des événements et rebondit, et un autre dans lequel elle franchit la frontière, scellant ainsi son destin.”
Les visualisations sont disponibles sous plusieurs formes. Les vidéos explicatives font office de guides touristiques, mettant en évidence les effets étranges de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Les versions présentées sous forme de vidéos à 360 degrés permettent aux spectateurs de regarder autour de eux pendant qu’ils roulent, tandis que d’autres se présentent sous la forme de cartes plates du ciel entier.
Pour créer les visualisations, Schnittman s’est associé à son collègue scientifique de Goddard, Brian Powell, et a utilisé le supercalculateur Discover du Climate Modeling Center de la NASA. Le projet a généré environ 10 téraoctets de données, soit l’équivalent d’environ la moitié du contenu textuel estimé de la Bibliothèque du Congrès, et a pris environ 5 jours pour fonctionner sur seulement 0,3 % des 129 000 processeurs de Discover. Le même exploit prendrait plus d’une décennie à un ordinateur portable ordinaire.
La cible est un trou noir supermassif d’une masse 4,3 millions de fois supérieure à celle de notre Soleil, équivalente au monstre situé au centre de notre galaxie, la Voie lactée.
“Si vous avez le choix, vous voulez tomber dans un trou noir supermassif”, a expliqué Schnittman. “Les trous noirs de masse stellaire, qui contiennent jusqu’à 30 masses solaires, ont des horizons d’événements beaucoup plus petits et des forces de marée plus fortes qui peuvent déchirer les objets entrants avant qu’ils n’atteignent l’horizon.”
Cela se produit parce que l’attraction gravitationnelle à l’extrémité de l’objet la plus proche du trou noir est beaucoup plus forte qu’à l’autre extrémité. Les objets qui tombent sont étirés comme des nouilles, un processus que les astrophysiciens appellent spaghettification.
L’horizon des événements du trou noir simulé s’étend sur environ 16 millions de miles (25 millions de kilomètres), soit environ 17 % de la distance entre la Terre et le Soleil. Un nuage plat et tourbillonnant de gaz chaud et incandescent appelé disque d’accrétion l’entoure et sert de repère visuel lors de sa chute. Il en va de même pour les structures lumineuses appelées anneaux de photons, qui se forment plus près du trou noir à partir de la lumière qui l’a fait le tour une ou plusieurs fois. Un fond de ciel étoilé, visible depuis la Terre, complète la scène.
À mesure que la caméra s’approche du trou noir, atteignant des vitesses de plus en plus proches de la vitesse de la lumière, la lueur du disque d’accrétion et des étoiles de fond augmente en intensité de la même manière que le son d’une voiture de course qui approche augmente en intensité. Leur lumière apparaît plus brillante et plus blanche lorsque l’on regarde dans le sens du déplacement.
Les films commencent avec la caméra à près de 400 millions de miles (640 millions de kilomètres) alors qu’un trou noir remplit rapidement le champ de vision. En cours de route, le disque du trou noir, les anneaux de photons et le ciel nocturne sont de plus en plus déformés et forment même de multiples images à mesure que leur lumière traverse un espace-temps de plus en plus courbé.
En temps réel, la caméra tombe à l’horizon des événements en 3 heures environ, effectuant près de deux rotations complètes de 30 minutes en cours de route. Mais pour tout observateur de loin, elle n’y arrivera jamais. À mesure que l’espace-temps se déforme de plus en plus à l’approche de l’horizon, l’image de la caméra ralentit puis semble se figer juste devant lui. C’est pourquoi les astronomes appelaient à l’origine les trous noirs «étoiles gelées».
À l’horizon des événements, même l’espace-temps lui-même s’écoule vers l’intérieur à la vitesse de la lumière, la limite de vitesse cosmique. Une fois à l’intérieur, la caméra et l’espace-temps dans lequel elle se déplace se précipitent vers le centre du trou noir – un point unidimensionnel appelé singularité, où les lois de la physique telles que nous les connaissons cessent de s’appliquer.
“Une fois que la caméra traverse l’horizon, elle est détruite par spaghettification en seulement 12,8 secondes”, a déclaré Schnittman. À partir de là, la singularité n’est plus qu’à 79 500 milles (128 000 kilomètres). Cette dernière étape du voyage se termine en un clin d’œil.
Dans un scénario alternatif, la caméra orbite près de l’horizon des événements, mais ne le traverse jamais ni ne s’échappe pour se mettre en sécurité. Si une astronaute avait piloté le vaisseau spatial lors de ce voyage circulaire de 6 heures alors que ses collègues du vaisseau mère restaient loin du trou noir, elle serait revenue 36 minutes plus jeune que ses collègues. En effet, le temps se déplace plus lentement à proximité d’une forte source gravitationnelle et lorsqu’il se déplace à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.