Une équipe d’astronomes a étudié 16 trous noirs supermassifs qui émettent de puissants faisceaux dans l’espace pour déterminer où les faisceaux, ou jets, sont dirigés aujourd’hui et où ils ont été envoyés dans le passé. En utilisant l’observatoire de rayons X Chandra de la NASA et le très grand réseau de base (VLBA) de l’observatoire national de radioastronomie (NSF) de la National Science Foundation (NSF), ils ont constaté que certains rayons changeaient considérablement de direction.
Ces deux images Chandra montrent des gaz chauds au centre de l’amas de galaxies Abell 478 (à gauche) et du groupe de galaxies NGC 5044 (à droite). Au centre de chaque image se trouve l’un des seize trous noirs émettant des rayons vers l’extérieur. Chaque trou noir est situé au centre d’une galaxie, entouré de gaz chauds.
Les images ci-dessous montrent les tags et les images radio. Les ellipses montrent une paire de cavités à gaz chaud pour Abell 478 (à gauche) et les ellipses montrent deux paires de cavités pour NGC 5044 (à droite). Ces cavités ont été creusées par des rayons il y a des millions d’années, indiquant la direction des rayons dans le passé. X montre l’emplacement de chaque trou noir supermassif.
Abell 478 et NGC 5044 (étiquetés). Radiographie : NASA/CXC/Univ de Bologne/F. Ubertosi; Insertions radio: NSF/NRAO/VLBA; Grand Angle: Optique/IR: Univ. d’Hawaï/Pan-STARRS; Traitement d’images: NASA/CXC/SAO/N. Wolk
Les images VLBA sont présentées sous forme d’encarts qui montrent où les faisceaux pointent actuellement, vus de la Terre. Les deux images radio sont beaucoup plus petites que les images radiographiques. Pour Abell 478, l’image radio représente environ 3 % de la largeur de l’image Chandra, et pour NGC 5044, l’image radio représente environ 4% de la largeur de l’image Chandra.
Une comparaison des images Chandra et VLBA montre que les rayons d’Abell 478 ont changé de direction d’environ 35 degrés et que les rayons de NGC 5044 ont changé de direction d’environ 70 degrés.
Sur l’ensemble de l’échantillon, les chercheurs ont découvert qu’environ un tiers des 16 galaxies ont des rayons qui pointent dans des directions complètement différentes de celles d’avant. Certains d’entre eux ont changé de direction de près de 90 degrés dans certains cas, et sur des échelles de temps allant d’un million d’années à plusieurs dizaines de millions d’années. Étant donné que les trous noirs ont environ 10 milliards d’années, cela représente un changement relativement rapide pour ces galaxies.
Images grand angle d’Abell 478 [à gauche] et de NGC 5044 [à droite]. Rayons X: NASA/CXC/Université de Bologne/F. Ubertosi et al.; Optique/IR: Université d’Hawaï/Pan-STARRS; IR: NASA/ESA/JPL/CalTech/Télescope spatial Herschel
Les trous noirs génèrent des rayons lorsque de la matière tombe sur eux à travers un disque de matière en rotation, et une partie est ensuite redirigée vers l’extérieur. On pense que la direction des rayons de chacun de ces trous noirs géants, qui sont probablement en rotation, est alignée avec l’axe de rotation du trou noir, ce qui signifie que les rayons sont dirigés le long d’une ligne reliant les pôles.
On suppose que ces rayons sont perpendiculaires au disque. Si de la matière tombe sur les trous noirs selon un angle autre que parallèle au disque, cela peut affecter la direction des axes de rotation du trou noir, modifiant ainsi la direction des rayons.
Les scientifiques pensent que les rayons des trous noirs et les vides qu’ils créent jouent un rôle important dans la formation des étoiles dans leurs galaxies. Les rayons pompent de l’énergie dans les gaz chauds à l’intérieur et autour de la galaxie, l’empêchant de se refroidir suffisamment pour former un grand nombre de nouvelles étoiles. Si les rayons changent de direction de manière significative, ils pourraient supprimer la formation d’étoiles dans des zones beaucoup plus vastes de la galaxie.
Un article décrivant ces résultats a été publié dans le numéro du 20 janvier 2024 de The Astrophysical Journal. Auteurs: Francesco Ubertosi (Université de Bologne en Italie), Gerritt Shellenberger (Centre d’astrophysique | Harvard et Smithsonian), Evan O’Sullivan (CfA), Jan Vrtilek (CfA), Simone Giacintucci (Laboratoire de recherche navale), Lawrence David (CfA ), William Forman (CfA), Miriam Gitti (Université de Bologne), Tiziana Venturi (Institut national d’astrophysique – Institut de radioastronomie en Italie), Christine Jones (CfA) et Fabrizio Brighenti (Université de Bologne).
Le Marshall Space Flight Center de la NASA gère le programme Chandra. Le Chandra X-ray Center du Smithsonian Astrophysical Observatory gère la science depuis Cambridge, dans le Massachusetts, et le contrôle de mission depuis Burlington, dans le Massachusetts.
De nouvelles recherches théoriques montrent qu’il est impossible de former un trou noir en utilisant uniquement l’énergie des particules lumineuses, ce qui remet en cause la théorie de la relativité générale d’Einstein. Une nouvelle étude suggère que les objets extrêmes connus sous le nom de «kugelblitzes» – des trous noirs formés uniquement à partir de la lumière – sont impossibles dans notre univers, remettant en question la théorie de la relativité générale d’Einstein. La découverte impose des contraintes importantes aux modèles cosmologiques et démontre comment la mécanique quantique et la relativité générale peuvent être réconciliées pour résoudre des questions scientifiques complexes.
Les trous noirs – des objets massifs dotés d’une attraction gravitationnelle si forte que même la lumière ne peut échapper à leur emprise – comptent parmi les objets les plus intrigants et les plus étranges de l’Univers. Ils se forment généralement par l’effondrement d’étoiles massives à la fin de leur cycle de vie, lorsque la pression des réactions thermonucléaires dans leur cœur ne résiste plus à la force de gravité.
Cependant, il existe également des hypothèses plus exotiques concernant la formation de trous noirs. L’une de ces théories implique la création de «kugelblitz», qui signifie «éclair en boule» en allemand. (Le pluriel est «kugelblitze»).
“Un Kugelblitz est un trou noir hypothétique qui, plutôt que de se former à partir de l’effondrement de la “matière ordinaire” (dont les protons, les neutrons et les électrons sont les principaux constituants), se forme en concentrant d’énormes quantités de rayonnement électromagnétique, comme la lumière” a déclaré le co-auteur de l’étude, José Polo-Gomez, est physicien à l’Université de Waterloo et à l’Institut Périmètre de physique théorique au Canada.
“Même si la lumière n’a pas de masse, elle transporte de l’énergie”, a déclaré Polo-Gomez, ajoutant que dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, l’énergie est responsable de la création de courbures dans l’espace-temps qui conduisent à l’attraction gravitationnelle. “Pour cette raison, il est en principe possible que la lumière forme des trous noirs, si nous la concentrons suffisamment dans un volume suffisamment petit”, a-t-il déclaré.
La théorie générale de la relativité d’Einstein affirme que l’énergie, et non la masse, est responsable de la courbure de l’espace-temps qui entraîne l’attraction gravitationnelle. Selon cette théorie, les trous noirs devraient pouvoir se former uniquement à partir de l’énergie lumineuse. NASA/JPL-Caltech
Ces principes sont valables dans le cadre de la théorie générale classique de la relativité, qui ne prend pas en compte les phénomènes quantiques. Pour étudier l’influence potentielle des effets quantiques sur la formation de Kugelblitz, Polo-Gomez et ses collègues ont étudié l’influence de l’effet Schwinger.
Dans leur étude, l’équipe a calculé la vitesse à laquelle les paires d’électrons et de positons créées dans un champ électromagnétique draineraient de l’énergie. Si cette vitesse dépasse le taux de reconstitution de l’énergie du champ électromagnétique dans une région donnée, le kugelblitz ne peut pas se former.
L’équipe a découvert que même dans les conditions les plus extrêmes, la lumière pure ne pourrait jamais atteindre le seuil d’énergie nécessaire pour former un trou noir. Cette découverte a de profondes implications théoriques, limitant considérablement les modèles astrophysiques et cosmologiques précédemment envisagés qui supposent l’existence du Kugelblitz. Cela anéantit également tout espoir d’étudier expérimentalement les trous noirs en laboratoire en les créant par rayonnement électromagnétique.
Toutefois, les résultats positifs de l’étude montrent que les effets quantiques peuvent être efficacement intégrés aux problèmes liés à la gravité, apportant ainsi des réponses claires à des questions scientifiques urgentes.
“D’un point de vue théorique, ce travail démontre comment les effets quantiques peuvent jouer un rôle important dans la compréhension des mécanismes de formation et de l’apparence des objets astrophysiques”, a déclaré Polo-Gomez.
Inspirés par leurs découvertes, les chercheurs envisagent de continuer à étudier l’influence des effets quantiques sur divers phénomènes gravitationnels qui ont une signification à la fois pratique et fondamentale.
«Certains d’entre nous sont très intéressés à continuer d’étudier les propriétés gravitationnelles de la matière quantique, en particulier dans les scénarios où cette matière quantique viole les conditions énergétiques traditionnelles», a déclaré Eduardo Martin-Martinez, également de l’Université de Waterloo et de l’Institut Périmètre. “Ce type de matière quantique pourrait, en principe, donner naissance à des espaces-temps exotiques, conduisant à des effets tels que la gravité répulsive, ou créer des solutions exotiques telles que le moteur de distorsion d’Alcubierre ou les trous de ver traversables.”
L’explosion massive a libéré 100 000 milliards de fois plus d’énergie que ce que le Soleil pourrait libérer au cours de sa vie entière. Les astronomes ont découvert l’une des éruptions de trous noirs les plus puissantes jamais observées. Cette explosion colossale, qui s’est produite il y a près de 4 milliards d’années, a formé un motif d’étoiles regroupées en amas ressemblant à des joyaux.
Un collier d’étoiles orne un amas massif de centaines de galaxies appelé SDSS J1531; ce corps est situé à environ 3,8 milliards d’années-lumière de la Terre. L’amas de galaxies contient également un énorme réservoir de gaz chaud et, en son centre, deux de ses plus grandes galaxies sont en train de fusionner en une seule. L’éruption découverte par les scientifiques provenait probablement d’un trou noir supermassif situé dans l’une de ces galaxies en collision.
Et tandis que ces galaxies continuent d’entrer en collision, les scientifiques ont pu discerner une chaîne en forme de S composée de 19 énormes amas d’étoiles appelés « superamas ».
Pour étudier la formation de la chaîne de superamas, les astronomes du monde entier se sont tournés vers de nombreuses données sur tout le spectre électromagnétique, notamment les données sur les ondes radio du radiotélescope à basse fréquence (LOFAR) et les données sur la lumière visible et les rayons X collectées par Chandra de la NASA. Observatoire des rayons X. Comprendre la formation de cette incroyable caractéristique pourrait permettre de mieux comprendre la façon dont les trous noirs supermassifs façonnent leur environnement.
“Les éruptions de trous noirs comme celle qui a contribué à la création des superamas de SDSS J1531 devraient être très importantes pour maintenir le gaz dans les amas de galaxies au chaud”, a déclaré Timothy Davies, membre de l’équipe de recherche et scientifique de l’Université de Cardiff, dans un communiqué. déclaration. “Trouver des preuves aussi claires de ce processus en cours nous permet de comprendre l’influence des trous noirs géants sur leur environnement.”
Une étrange chaîne de « joyaux étoiles » constituée d’amas d’étoiles formés autour d’une puissante éruption de trou noir. Rayons X: NASA/CXC/SAO/O. Omoruyi et coll.; faisceaux optiques: NASA/ESA/STScI/G. Tremblay et coll.; signaux radio: ASTRON/LOFAR ; traitement d’images: NASA/CXC/SAO/N. Wolk
On pense qu’au centre de toutes les grandes galaxies se trouvent des trous noirs supermassifs d’une masse de millions, voire de milliards de masses solaires. Alors que nombre de ces monstres spatiaux se cachent tranquillement, comme le Sagittaire A* (Sgr A*), qui se trouve au cœur de la Voie lactée, d’autres engloutissent le gaz, la poussière et même les étoiles qui les entourent. Ces trous noirs supermassifs font partie de ce que l’on appelle les noyaux galactiques actifs (AGN) et sont entourés de disques de gaz et de poussière qui les nourrissent. Ces disques sont appelés disques d’accrétion. Les influences gravitationnelles massives de ces trous noirs qui s’alimentent activement créent des conditions turbulentes dans leurs disques d’accrétion respectifs, faisant briller l’environnement environnant.
De plus, toute matière qui ne tombe pas dans le trou noir supermassif est dirigée vers les pôles du titan cosmique par de puissants champs magnétiques. Ici, ces particules chargées sont accélérées à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, éclatant sous forme de jets relativistes hautement collimatés provenant des deux pôles du trou noir. Cette éruption s’accompagne généralement d’une explosion de rayonnement électromagnétique dans la gamme de longueurs d’onde de la lumière.
En conséquence, les noyaux galactiques actifs et leurs quasars associés sont souvent si brillants qu’ils éclipsent la lumière combinée de toutes les étoiles des galaxies qui les entourent.
L’équipe affirme que lorsque le jet s’échappant de l’une des galaxies géantes au centre du SDSS J1531 est poussé vers l’extérieur, il pousse les gaz chauds hors du trou noir. L’équipe à l’origine de cette étude estime que cette activité a créé une cavité géante autour du vide.
“Nous observons déjà ce système tel qu’il était il y a quatre milliards d’années, peu après la formation de la Terre”, a déclaré Osase Omoruyi, chef d’équipe et chercheur au Harvard Center for Astrophysics, dans un communiqué. “Cette ancienne cavité, un fossile de trou noir, nous raconte un événement clé survenu près de 200 millions d’années plus tôt dans l’histoire de l’amas.”
L’illustration montre des jets s’échappant des deux pôles d’un trou noir supermassif au centre d’un noyau galactique actif.
En reconstituant cette séquence turbulente d’événements à l’aide de Chandra, Omoruyi et ses collègues ont suivi les mouvements de gaz dense près du cœur du SDSS J1531. Cela a révélé des «ailes» lumineuses aux rayons X au bord de la cavité. Les données d’ondes radio du LOFAR ont montré à l’équipe des restes de particules énergétiques associées à l’éruption, preuve «fumante» de cette ancienne et puissante éruption.
“Ce système possède clairement un trou noir très actif qui entre constamment en éruption et affecte grandement le gaz qui l’entoure”, a déclaré Davis. “Ici, nous trouvons la preuve irréfutable et voyons en même temps son impact.”
L’énergie d’éjection du jet est parmi les plus élevées jamais enregistrées, a expliqué Omoruyi sur le blog de Harvard, que le jet a libéré 100 000 milliards de fois plus d’énergie que le Soleil n’en libérera au cours de sa vie entière.
“Au fur et à mesure que le jet se propageait dans l’espace, il a creusé une bulle géante dans le gaz de refroidissement, soulevant et dispersant la matière environnante”, a-t-elle poursuivi. «Même si cela s’est produit il y a près de 200 millions d’années, l’héritage de l’éjection demeure. Le gaz précédemment soulevé s’est maintenant refroidi et gravite de nouveau vers le centre de l’amas, fournissant du carburant frais pour la jeune formation d’étoiles «perles sur une chaîne».
Omoruyi a ajouté que même si la découverte de ce fort flux sortant est surprenante en soi, l’un des aspects les plus remarquables de cette observation est le fait que l’accumulation globale est restée stable.
Ce que l’équipe n’a pas encore découvert, c’est la preuve d’un deuxième jet puissant qui aurait pu éclater dans la direction opposée et depuis l’autre pôle du trou noir supermassif. Les chercheurs pensent que des preuves de l’existence de ce double jet pourraient être trouvées dans les émissions de rayons X et d’ondes radio après une étude plus approfondie.
“Nous pensons que nos preuves de cette énorme éruption sont solides, mais des observations supplémentaires de Chandra et du LOFAR le confirmeront”, a conclu Omoruyi. “Nous espérons en savoir plus sur l’origine de la cavité que nous avons déjà découverte et trouver celle que nous attendons de l’autre côté du trou noir.”
En observant les rayons X éjectés dans l’Univers par un trou noir supermassif, les scientifiques ont découvert d’étranges éclairs qui se sont révélés être des réflexions reçues de l’autre côté du trou. Il s’agit de la première observation directe de lumière provenant de derrière un trou noir, un phénomène prédit par la théorie de la relativité générale d’Einstein mais non encore confirmé. Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Nature.
L’astrophysicien Dan Wilkins de l’Université de Stanford étudiait le trou noir supermassif au centre d’une galaxie située à 800 millions d’années-lumière lorsqu’il a remarqué quelque chose d’inattendu. En plus des flashs lumineux de rayons X, les télescopes ont enregistré des flashs supplémentaires qui sont apparus plus tard que les principaux, étaient moins brillants et de «couleurs» différentes. Selon les calculs, ces réflexions, ou échos lumineux, correspondaient à des rayons X réfléchis par l’arrière du trou noir.
“Toute lumière qui entre dans un trou noir n’en sort pas, nous ne devrions donc pas être en mesure de voir ce qu’il y a derrière le trou noir”, a déclaré Dan Wilkins, chercheur à l’Institut d’astrophysique et de cosmologie des particules et au National Accelerator Facility un communiqué de presse universitaire du Laboratoire SLAC de l’Université de Stanford. “La raison pour laquelle nous pouvons voir cela est parce que le trou noir plie l’espace, plie la lumière et tord les champs magnétiques autour de lui.”
Une représentation artistique de la lumière venant de derrière un trou noir. Dan Wilkins
Les recherches se sont d’abord concentrées sur l’étude de la couronne, un élément que possèdent certains trous noirs. La matière tombant dans un trou noir supermassif alimente les sources de lumière continue les plus brillantes de l’Univers et forme ainsi une couronne de rayons X autour du trou noir.
La théorie actuelle affirme que la formation de cet élément commence par la chute du gaz dans un trou noir, où il est surchauffé jusqu’à des millions de degrés. A cette température, les électrons sont séparés des atomes, créant un plasma magnétisé. Piégé dans la puissante rotation du trou noir, le champ magnétique se courbe au-dessus du trou noir et tourne sur lui-même si violemment qu’il finit par s’effondrer complètement. La situation n’est pas sans rappeler ce qui se passe autour du Soleil. Par conséquent, les scientifiques, par analogie avec la couronne solaire, ont appelé ce phénomène la couronne d’un trou noir.
“Ce champ magnétique, couplé et proche du trou noir, chauffe tout et produit ces électrons de haute énergie, qui créent ensuite des rayons X”, explique Wilkins. “Depuis plusieurs années, je faisais des prédictions théoriques sur ce à quoi ces échos ressembleraient pour nous, donc dès que je les ai vus à travers le télescope, j’ai su à quoi ils étaient liés.”
“Il y a cinquante ans, lorsque les astrophysiciens ont commencé à réfléchir à la façon dont un champ magnétique pourrait se comporter à proximité d’un trou noir, ils ne savaient pas qu’un jour nous aurions des méthodes pour observer cela directement et voir la théorie de la relativité générale d’Einstein en action”, explique un autre. L’auteur de l’étude est le professeur Roger Blandford de la School of Arts and Sciences de Stanford et professeur de physique et de physique des particules au SLAC.
Les auteurs continueront à décrire et étudier les couronnes des trous noirs. Ils fondent des espoirs particuliers sur le télescope spatial Athena de l’Agence spatiale européenne, dont le lancement est prévu en 2031.