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La composition des jets relativistes des trous noirs se précise

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De quoi sont faits les jets de matières émis par les trous noirs ? De mélanges égaux de matière et d'antimatière, ou bien d'électrons et d'ions positifs ? Nul ne le sait vraiment, mais les dernières observations portant sur le trou noir 4U1630-47 montrent que des atomes de fer et de nickel accompagnent des électrons dans les jets émis par cet astre compact au-dessus de ses pôles.

Lorsqu'un trou noir fait partie d'un système binaire avec une étoile suffisamment proche de lui, il lui arrache de la matière. Le gaz capturé s'échauffe et tombe en spirale en formant un disque d'accrétion autour du trou noir, comme sur cette vue d'artiste. Des processus encore mal compris aux abords de ce trou noir engendrent alors des jets de matière, dont on sait seulement avec certitude qu'ils contiennent au moins des électrons fonçant à des vitesses proches de celle de la lumière. © J. Miller-Jones (Icrar), avec un programme crée par R. Hynes

Selon le grand astrophysicien indien Subramanyan Chandrasekhar, les trous noirs sont les objets les plus simples de l'univers. En effet, contrairement à bien des objets physiques macroscopiques dont on néglige tous les détails de leur composition atomique pour en construire une modélisation simple, les solutions des équations d'Einstein décrivant un trou noir de Schwarzschild ou de Kerr sont rigoureusement exactes et ne dépendent tout au plus que de la masse et du moment cinétique de l'astre compact.

Toutefois, lorsqu'un trou noir s'entoure d'un disque d’accrétion, la situation devient nettement plus complexe à traiter. L'environnement du trou noir et les interactions avec la matière qu'il accrète font naître des phénomènes qui relèvent de la magnétohydrodynamique, la physique des plasmas et du transfert radiatif pour ne citer que ces domaines. C'est pourquoi il existe encore bien des zones d'ombres sur ce qui se passe lorsqu'un trou noir fait partie d'un couple stellaire et qu'il arrache de la matière à son étoile compagne par ses forces de marée.

Les trous noirs sont parmi les objets les plus opaques de l'univers. Heureusement, ils sont aussi parmi les plus attractifs, et c'est par leur pouvoir d'attraction démesuré que nous pouvons les détecter. Les trous noirs géants sont les ogres les plus monstrueux du zoo cosmique, mais ils ne sont pas des armes de destruction massive. Les jets de matière qu'ils produisent auraient contribué à allumer les premières étoiles et à former les premières galaxies. Hubert Reeves et Jean-Pierre Luminet, spécialistes en cosmologie contemporaine, répondent à toutes vos questions. Pour en savoir plus, visitez www.dubigbangauvivant.com. © Groupe ECP, YouTube

Trous noirs et jets de matière relativistes

Une des questions en suspens est celle de la nature des jets de matière s'élevant perpendiculairement au plan du disque d'accrétion entourant de tels trous noirs et parallèles à leur axe de rotation. Ils contiennent des électrons doués de vitesses très importantes, correspondant à des fractions significatives de celle de la lumière, ce qui les fait qualifier de jets relativistes, voire ultrarelativistes. On pense que ces jets, particulièrement spectaculaires quand ils sont associés à des quasars, sont généralement engendrés par un mécanisme complexe lié à la rotation des trous noirs : le mécanisme de Blandford-Znajek. Mais ce modèle ne nous dit pas si ces jets ne contiennent pas aussi des positrons ou des atomes plus ou moins ionisés. C'est très probablement le cas, car les jets apparaissent globalement neutres. Mais on ignorait jusqu'à présent les importances relatives de ces composantes.

Le flot de gaz d'une étoile alimentant le disque d'accrétion d'un trou noir (black hole) s'échauffe et rayonne dans le domaine des rayons X. L'ensemble est entouré, comme le montre ce schéma, de l'équivalent du plasma de la couronne solaire avec des électrons chauds. On pense maintenant que les jets de matière s'élevant parallèlement à l'axe de rotation du trou noir contiennent des atomes ionisés en plus d'électrons. © J. Miller-Jones (Icrar), avec un programme crée par R. Hynes

L'article récemment publié dans Nature par un groupe d'astrophysiciens, et que l'on peut consulter sur arxiv, apporte un peu de lumière sur cette question, au moins dans le cas du trou noir stellaire 4U1630-47.

Des baryons fonçant à 66 % de la vitesse de la lumière

Les chercheurs ont étudié le système binaire contenant ce trou noir aussi bien dans le domaine des rayons X que dans celui des ondes radio. Ils ont ainsi combiné des données du satellite de l'Esa XMM-Newton avec d'autres provenant des radiotélescopes australiens de l'Australia Telescope Compact Array.

Ce sont tout d'abord les observations dans le domaine des ondes radio qui ont permis de découvrir que le trou noir était entré en phase d'activité en émettant des jets de matière. Mobilisé, le télescope de l'Esa a révélé l'apparition dans les émissions X de 4U1630-47 d'un spectre associé à la présence d'atomes de fer et de nickel. Surtout, les raies dans ce spectre subissaient clairement un fort effet Doppler-Fizeau. L'observation correspondait à des émissions X de baryons dont la vitesse relativiste atteignait 66 % de celle de la lumière. Comme ce spectre et la signature de la présence de jets dans le domaine des ondes radio étaient absents des précédentes observations de 4U1630-47, il fallait en conclure que ces atomes ionisés très rapides se trouvent bien dans les jets produits par le trou noir.

Selon les astrophysiciens, les données obtenues sur les jets associés au trou noir laissent entendre qu'ils ne seraient peut-être pas colimatés directement par le trou noir et sa rotation. Il semble plutôt que le disque d'accrétion fasse obstacle à des émissions qui, dans la zone proche entourant le trou noir, ne seraient pas dirigées perpendiculairement à lui. Il est certain, cependant, que les baryons contenus dans les jets sont plus lourds que des positrons, et que ces jets transportent donc plus d'énergie qu'on l'imaginait.