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L'histoire des trous noirs supermassifs se lit dans leur rotation

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Les trous noirs supermassifs peuvent croître à l'occasion de la fusion de deux galaxies ou encore en capturant chaotiquement des nuages de gaz moléculaires par exemple. Les divers scénarios expliquant leur croissance prédisent des vitesses de rotation plus ou moins élevées au cours de l'histoire de l'univers. Celle du trou noir associé au quasar RX J1131-1231 était particulièrement élevée il y a six milliards d'années. Il s'agit du plus lointain trou noir supermassif dont on ait mesuré la vitesse de rotation à ce jour. Il a dû se former principalement par coalescence de trous noirs de plus petite taille.

L'anneau d'Einstein, que l'on voit ici sur cette image composite réalisée à partir d'observations réalisées dans le visible avec Hubble et dans le domaine des rayons X avec Chandra, montre des images démultipliées du quasar RX J1131-1231. Il s'agit d'un effet de lentille gravitationnelle provoqué par une galaxie elliptique massive s'étant interposée entre ce quasar et nous. © Rayons X : Nasa, CXC, université du Michigan, R. C. Reis et al. ; optique : Nasa, STScI

Lorsque le mathématicien Roy Kerr a découvert sa fameuse solution des équations de la relativité générale en 1963, la seule chose qui était clairement établie était qu'elle devait décrire un corps en rotation. Ce n'est vraiment qu'autour de 1968 que l'on a commencé à bien comprendre ses propriétés avec les travaux de chercheurs comme Brandon Carter. Il s'agissait d'une solution des équations d'Einstein décrivant un trou noir en rotation. Depuis, cette solution et ces perturbations ont été considérablement étudiées. Elle a permis de modéliser les noyaux actifs de galaxie que sont les quasars. Dans quelques décennies, on devrait pouvoir vérifier précisément plusieurs prédictions tirées de cette solution avec des projets comme eLisa et Event Horizon Telescope.

Du Big Bang au Vivant est un projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine. Une dizaine de grands scientifiques, dont Hubert Reeves et Jean-Pierre Luminet, racontent les plus importantes découvertes dans le domaine de la cosmologie dans une odyssée spectaculaire allant de la naissance de l'univers jusqu'à l'apparition de la vie sur Terre. © www.dubigbangauvivant.com, YouTube

Les scientifiques s'en servent aujourd'hui pour tenter de comprendre l'origine des trous noirs supermassifs au cœur des grandes galaxies. Il existe une relation entre la masse d'un de ces trous noirs et celle de la galaxie qui l'héberge. Cela suggère que les trous noirs supermassifs et les galaxies croissent de pair. Cela se ferait principalement à l'occasion de la fusion entre deux galaxies entrées en collision. De fait, on observe des galaxies avec deux trous noirs géants n'ayant pas encore coalescé. D'autres modèles de croissance des trous noirs supermassifs et des galaxies sont aussi considérés avec attention. Ils ne font pas intervenir des événements aussi violents que des collisions entre deux grandes galaxies, mais par exemple l'accrétion de larges filaments de matière, des courants froids.

Croissance énigmatique des trous noirs supermassifs

On tente de départager les deux théories, qui sont d'ailleurs peut-être complémentaires. L'une des méthodes utilisées consiste à mesurer les moments cinétiques d'un grand nombre de trous noirs supermassifs et voir comment ceux-ci ont évolué au cours de l'histoire du cosmos observable. Ce n'est pas une tâche facile, car déterminer le moment cinétique d'un trou noir supermassif voilà des milliards d'années veut dire que l'on doit observer un objet situé à des milliards d'années-lumière.

Heureusement, comme l'ont prouvé des astronomes dans un article publié dans Nature, il est possible d'utiliser l'effet de lentille gravitationnelle pour observer ces astres lointains. Une galaxie elliptique géante a ainsi servi de loupe pour étudier le quasar RX J1131-1231 situé à environ six milliards d'années-lumière de la Voie lactée. L'effet de lentille est si important que l'on observe avec Hubble un anneau d’Einstein dans le visible. Mais ce sont surtout les images démultipliées du quasar dans le domaine des rayons X qui ont été précieuses pour les chercheurs.

La galaxie elliptique responsable de l'anneau d'Einstein est bien visible en son centre sur cette image. De part et d'autre sur l'anneau, on voit les images multiples du quasar RX J1131-1231. La mesure précise du moment cinétique d'un trou noir supermassif sur ce quasar bat un record de distance avec six milliards d'années-lumière. Précédemment, les records étaient de 4,5 et 2,7 milliards d'années-lumière. © Rayons X : Nasa, CXC, université du Michigan, R. C. Reis et al. ; optique : Nasa, STScI

Chandra et XMM Newton ont été mis à contribution pour étudier ces images, et elles ont permis de plonger au cœur du quasar pour en tirer des renseignements sur le disque d'accrétion entourant le trou noir supermassif à l'origine de l'extraordinaire luminosité de RX J1131-1231.

Rayons X réfléchis par un disque d'accrétion

Pour comprendre ce qu'ont mesuré les astronomes, il faut savoir que le gaz et les poussières qu'engloutit un tel trou noir sont tellement chauffés par le processus qu'ils forment une sorte d'équivalent de la couronne solaire chauffée à plusieurs millions de degrés autour du trou noir. Les rayons X émis vont se réfléchir en partie sur la zone interne du disque d'accrétion du trou noir. Or, le champ de gravitation de l'astre compact va modifier le spectre des rayons X réfléchis en l'altérant, de telle sorte qu'il est possible d'en déduire la distance séparant le bord interne du disque d'accrétion de l'horizon du trou noir. La solution de Kerr implique que cette distance est d'autant plus faible que le trou noir possède un moment cinétique important et tourne rapidement sur son axe. En effet, cette rotation « entraîne » avec elle une partie de l'espace, comme c'est le cas pour les corps en rotation en relativité générale (la sonde Gravity Probe B a mis en évidence ce phénomène avec la Terre), ce qui veut dire qu'elle fournit en quelque sorte une force centrifuge supplémentaire à la matière autour du trou noir pour rester en orbite à une distance peu importante.

Dans le cas de RX J1131-1231, la distance séparant le trou noir du bord interne de son disque d'accrétion est d'environ trois fois le rayon de l'horizon des événements du trou noir. Cela signifie qu'il tourne particulièrement rapidement sur lui-même, avec des vitesses pouvant atteindre la moitié de celle de la lumière. Pour les chercheurs, cela signifie que la croissance du trou noir supermassif il y a plus de six milliards d'années s'est faite principalement à l'occasion de collisions entre galaxies avec fusion des trous noirs centraux. Si tel n'avait pas été le cas, des accrétions successives de matière par simple accrétion de gaz venant de direction aléatoire n'auraient pas conduit à une croissance aussi forte du moment cinétique.

En employant la même méthode, basée sur la réflexion des rayons X par le disque d'accrétion d'un trou noir, pour constituer un échantillonnage des moments cinétiques des trous noirs supermassifs sur une longue période de l'histoire du cosmos, les astrophysiciens et cosmologistes disposent donc d'un outil de plus pour percer les secrets de l'origine et de l'histoire des trous noirs supermassifs.

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