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Les astronomes observent un trou noir actif entrainant l'espace temps autour de lui

Observé depuis son réveil en 2015, un trou noir de la constellation du Cygne mange une étoile voisine.

Auteur: Phil Plait


À un peu moins de 8.000 années-lumière de la Terre se trouve un monstre : un trou noir qui mange activement son compagnon.

Cette paire d'étoiles — une morte (le trou noir) et l'autre mourante — s'appelle V404 Cygni (dans la constellation du Cygne, NDT). Le trou noir s'est formé il y a longtemps, lorsqu'une des étoiles extrêmement massive a explosé. Le noyau s'est effondré, laissant derrière lui un trou noir d'une masse neuf fois supérieure à celle de notre Soleil. L’autre étoile ressemble plus au Soleil, bien que de masse inférieure et plus froide, mais elle approche de la fin de sa vie, et a commencé à enfler pour devenir une géante rouge (c'est ainsi que les étoiles meurent : en grossissant avant d'exploser en supernova, qui en fonction de sa masse peut se transformer en trou noir, NDT). Actuellement, c'est une étoile sous-géante, d'un diamètre plusieurs fois supérieur à celui du Soleil.

Disque d'accrétion

L'étoile tourne autour du trou noir en environ 6,5 jours. Ils sont si proches que la gravité du trou noir tire la matière de l'étoile. Cette matière ne tombe toutefois pas directement à l'intérieur e trou noir, car le mouvement orbital des objets lui confère une vitesse latérale suffisamment grande. Au lieu tomber, ce matériau tourne autour du trou noir, formant un disque de matériau autour de celui-ci appelé disque d'accrétion (Accreter : capter et agglomérer de la matière sous l'effet de la gravitation, NDT).

Image : un trou noir accrete (« pompe ») de la matière de son étoile double (vue d'artiste). Crédit : ICRAR - T&C.

trou noir accrete son étoile double

Les matériaux proches du trou noir se déplacent incroyablement vite, à une vitesse proche de celle de la lumière, contrairement aux matériaux plus lointains qui se déplacent aussi dans l'orbite mais plus lentement. Au sein du disque le frottement entre la matière lente et la matière rapide est si important qu'il chauffe le disque à une température de plusieurs millions de degrés, et qu'il rayonne de manière éclatante à travers tout le spectre électromagnétique, des ondes radio aux rayons X.

Tornade electro-magnétique

La matière dans le disque génére également un puissant champ magnétique, qui s’enroule comme une tornade, autour du trou noir. Il est si puissant qu’il peut extraire de la matière du disque et la souffler en rayons perpendiculaires au disque ; cette substance s'arrache loin du trou noir à la vitesse d'une grosse fraction de celle de la lumière. Parfois, le matériau du disque d’accrétion qui alimente ces faisceaux fait un hoquet, et une plus grosse goutte de matériau est soudainement éjectée, qui devient très brillante et s’efface ensuite avec le temps.

Vidéo : Le trou noir de V404 Cygni

Narrated V404 Cygni Black Hole Animation from ICRAR on Vimeo.

Votre esprit n'est toujours pas anesthésié par la puissance colossale de ce système ? Car nous n'en avons pas terminé. 

Espace-temps

Des astronomes ont déterminé que la direction des jets change, se déplaçant de plusieurs degrés en quelques heures seulement (comme le jet d'un dispositif d'arrosage). Pourquoi ? Parce que le trou noir traîne littéralement autour de lui la structure de l'espace-temps !

Les trous noirs sont connus pour leur intense gravitation qui s'applique avec une force énorme sur les matériaux qui les entourent. Or tout ce qui gravite déforme l’espace-temps — par définition la gravitation est une brèche dans la structure de l’espace et du temps. Dons un objet qui tourne tire sur l’espace-temps, l’enroulant autour de lui. C'est un des résultats étranges de la Relativité Générale.

Effet Lens-Thirring

Pensez à un bol contenant du miel. Si vous laissez tomber une boule dedans et que vous la faite tourner sur elle même, la boule entraînera du miel avec elle, grâce aux frottements de la boule sur le miel. Le miel très près de la boule se déplacera plus rapidement que le miel plus éloigné de la boule.

La même chose se produit avec un objet en rotation dans l'espace. Seul l'espace le plus proche de l'objet sera déplacé avec la rotation. C'est ce qu'on appelle l'effet Lens-Thirring (appelé aussi en anglais frame-dragging).

En tournant, la Terre fait la même chose autour d'elle, mais l'effet est minime car la masse de la Terre est faible comparée à un trou noir et son énorme gravité : l’effet est beaucoup plus marqué autour de lui. Lorsque le trou noir de V404 Cygni tourne, il traîne de l’espace avec lui. Et c'est là que ça devient vraiment étrange (et nous avons placé la barre du bizarre assez haute !) : le trou noir ne tourne pas sur un axe parfaitement perpendiculaire au disque d'accrétion, et cela affecte la façon dont la matière bouge près de lui.

Axe incliné

Le trou noir est incliné par rapport à l'orbite de l'qui l'entoure. Le matériau provenant de l’autre étoile reste dans le plan orbital des deux objets à mesure qu’il approche du trou noir. Il ressent alors l’effet Lens-Thirring et se tord. Le contenu situé près du trou noir tourne en rotation dans le plan de l’équateur du trou noir, de sorte que le disque se déforme de plusieurs degrés quand il est au plus près.

Image : axe incliné du disque d'accrétion d'un trou noir (dessin d'artiste). Crédit : ICRAR - T&C

Trou nouir axe incliné

Lorsque vous appliquez une force à un objet en rotation (comme le matériau présent dans le disque), il commence à chanceler — c'est comme s'il oscillait par le haut lorsqu'il tourne, en raison du frottement avec la surface sur laquelle il tourne. L'axe du matériau qui tourne autour du trou noir vacille, traçant un cercle dans le ciel.

oscillation axe rotation

La Terre fait pareil en raison de la gravité de la Lune, et son axe de rotation change lentement, tous les 26.000 ans environ. Les forces dans le trou noir et l'effet Lens-Thirring sont si énormes, que le disque de matériau près du trou noir change toutes les deux heures. Et donc la direction dans laquelle les jets de matériau se projettent à l'extérieur se déplacent également,  et font un circuit complet une fois toutes les 2,6 heures au moins.

Et c'est ce que les astronomes ont vu ! Ils ont eu recours à l'Interférométrie à très longue base (combinant la puissance des radiotélescopes du monde entier, pour créer un télescope virtuel de la taille de la Terre !) afin d’observer les matériaux se troublants dans les jets du trou noir, et de voir littéralement les jets basculer en l'espace de quelques heures, envoyant des morceaux de matière dans une direction, puis dans une autre. Les jets oscillaient à environ 36° dans les deux sens alors qu'ils tournoyaient, propulsant du matériel dans différentes directions.

Vidéo : Simulation d'un disque d'accrétion très incliné autour d'un trou noir en rotation :

Une bonne question demeure : pourquoi le trou noir est-il incliné par rapport au disque d’accrétion ? Il est possible que l'énorme explosion qui s'est produite au centre de la supernova il y a des milliards d'années, ait été un peu excentrée. Cette asymétrie a pu donner un gros coup au cœur de l’étoile, et lorsque celle-ci s’est effondrée pour donner naissance au trou noir, elle s'est penchée d’environ 18°. Résultat : de nos jours les jets jaillissent comme un arroseur de jardin en oscillant de 36° (soit 18° dans un sens, et 18° dans l’autre sens).

Ouais. Je sais . Croyez-moi, réfléchir à de telles échelles est difficile pour quiconque.

Mais pas impossible. C'est ce que font les scientifiques.

Car il n'y a rien de fermé dans cette histoire. Trous noirs, espace-temps déformé, températures qui vaporisent de la matière, blobs explosant à vitesse proportionnelle à la lumière, télescopes virtuels de la taille d'une planète, explosions titanesques et effeuillage littéral d'une étoile par une autre... Ce que j'aime dans tout cela — en plus de l'impressionnante réalité des choses — c'est que nous pouvons le comprendre. L’Univers est un endroit très étrange, avec des choses tellement en dehors de ce que nous appelons « normal », que tout serait magique si ce n'était scientifique. C'est la beauté de la science. Cela nous aide à comprendre ces choses, et ce qui semble délirant est en fait la réalité du cosmos.

Et c'est aujourd'hui encore plus étonnant, parce que nous pouvons maintenant observer les mécanismes derrière tout cela, et découvrir comment ils fonctionnent. Le mystère, l'admiration et la beauté sont toujours là, nous ajoutons en plus de la compréhension.

 

Source : Phil Plait pour SYFY. Traduit et adapté de l''Américain.
Image vignette  : ESA ICRAR. T&C usage non-commercial.


Tags: Astronomie  


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