Ces illustrations montrent l'environnement d'un trou noir alimenté en gaz ambiant tel que cartographié à l'aide de rayons X par le satellite XMM-Newton. © ESA
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Trous noirs supermassifs : on peut les étudier avec des échos de lumière

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La technique des échos de lumière est prometteuse pour mesurer notamment les masses et les vitesses de rotation des populations de trous noirs supermassifs. Pour la première fois, cette technique a été utilisée avec le télescope XMM-Newton de l'ESA pour étudier, avec succès, le trou noir au cœur de la galaxie IRAS 13224-3809.

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[EN VIDÉO] Stephen Hawking, l'astrophysicien qui a fait aimer la science  Le grand physicien Stephen Hawking est décédé le 14 mars 2018. Véritable légende de la physique, il fut aussi un très talentueux vulgarisateur. Retour sur la vie hors du commun de ce savant qui a su se faire aimer du public et rendre accessible ses travaux de recherche scientifique : trous noirs, théorie des supercordes, rayonnement de Hawking, théorèmes sur les singularités... La science lui dit un immense merci. 

Nous savons que les galaxies et les trous noirs supermassifs qu'elles abritent croissent de pair mais nous ne comprenons pas encore exactement pourquoi ni comment. On le sait parce que le rapport entre la masse d'un tel trou noir et celui de sa galaxie hôte est généralement le même. Si l'on veut donc comprendre comment ont évolué les galaxies et leurs populations d'étoiles, dont on sait également maintenant qu'elles développent généralement un cortège planétaire en naissant, il est nécessaire de mieux connaître les processus d'accrétion qui permettent à ces trous noirs d'avaler de la matière. Il reste encore du travail à faire pour les comprendre, aussi bien théorique qu'observationnel.

Les télescopes à rayons X comme l'États-unien Chandra, le Russe Spektr-RG et l'Européen XMM-Newton de l'ESA sont très utiles en ce qui concerne le versant observationnel. En effet, lorsque de la matière, par exemple sous forme de filaments froids d’hydrogène et d’hélium gazeux, tombe en direction de l'horizon des évènements d'un trou noir, elle forme d'abord un disque d'accrétion où le gaz spirale en direction de la surface du trou noir. Ce qui le conduit à s'échauffer à cause de processus de frottement liés à la viscosité du gaz. Les températures atteintes deviennent très élevées, le gaz s'ionise en produisant un plasma particulièrement turbulent, comme le montre la vidéo ci-dessous issue d'une simulation numérique savante. Plasma qui rayonne alors dans le domaine des rayons X.

La simulation réalisée montrant l'aspect du plasma tourbillonnant autour du trou noir supermassif de notre Galaxie commence par la vue d'un observateur autour de ce trou noir et l'effet de lentille gravitationnelle qu'il provoque sur le fond d'étoiles. Le temps est bien sûr accéléré. © J. Davelaar, T. Bronzwaer, D. Kok, Z. Younsi, M. Moscibrodzka, & H. Falcke BlackHoleCam, Radboud University Nijmegen, Goethe University Frankfurt

Ce plasma forme également l'équivalent de la couronne solaire étudiée dans le cas du Soleil en ce moment par la sonde Parker Solar Probe, et c'est de cette couronne associée au disque d'un trou noir qu'émanent les rayons X les plus énergétiques. Elle est constituée essentiellement d'électrons à une température de l'ordre du milliard de degrés.

Une méthode pour mesurer la masse et la rotation des trous noirs

Une équipe d'astrophysiciens vient de faire savoir via un article publié dans Nature Astronomy, et en accès libre sur arXiv, qu'elle avait utilisé XMM-Newton pour reconstituer la structure et la dynamique de la partie interne du disque d'accrétion juste autour du trou noir supermassif de la galaxie nommée IRAS 13224-3809 (une galaxie de Seyfert dans la constellation du Centaure à environ 1 milliard d'années-lumière de la Voie lactée). Et cela a permis d'en apprendre plus aussi bien sur le trou noir que sur son disque et sa couronne. La galaxie est connue comme étant l'une des sources de rayons X les plus variables du ciel, subissant des fluctuations de luminosité très importantes et rapides d'un facteur de 50 en quelques heures seulement.

Pour obtenir ce résultat, XMM-Newton a été utilisé pour mettre en pratique la méthode des échos de lumière qui avait déjà été employée pour étudier l'environnement d'un trou noir au cœur d'une galaxie, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous. Dans le cas présent, des flashs de lumière X issus de la couronne font briller avec un délai la partie interne du disque d'accrétion entourant le trou noir, là où la matière finit vraiment par tomber dedans. Cet écho est affecté par la structure de l'espace-temps autour du trou noir ainsi que par la structure du flot de plasma dans cette partie du disque. Les caractéristiques de la lumière réfléchie donnent alors accès notamment à des estimations de la masse et du moment cinétique du trou noir supermassif en rotation. On obtient aussi des informations sur l'environnement du trou noir que ne peut généralement pas donner avec les trous noirs supermassifs l'Event Horizon Telescope, parce que ces trous noirs sont trop lointains ou trop petits, à de rares exceptions comme dans le cas de M87*. Les chercheurs ont ainsi découvert que la taille de la couronne changeait rapidement, en quelques jours à peine.

Ces illustrations montrent l'environnement d'un trou noir alimenté en gaz ambiant tel que cartographié à l'aide de rayons X par le satellite XMM-Newton. © ESA

Pour rendre un peu plus concret le principe de la méthode appliquée, l'astrophysicien William Alston, de l'Institut d'astronomie de Cambridge, explique ainsi dans un communiqué de l'ESA que « Tout le monde a fait l'expérience de la façon dont l'écho de la voix sonne différemment selon que l'on parle dans une salle de classe ou dans une cathédrale - cela est simplement dû à la géométrie et aux matériaux de ces pièces, ce qui fait que le son se comporte et rebondit différemment. De manière similaire, nous pouvons observer comment les échos des rayonnements X se propagent au voisinage d'un trou noir afin de cartographier la géométrie d'une région et l'état d'un amas de matière avant qu'il ne disparaisse dans le trou noir. C'est un peu comme de l'écho-localisation cosmique. ».

Son collègue et coauteur Michael Parker, chercheur à l'ESA au Centre européen d'astronomie spatiale près de Madrid, en Espagne, ajoute lui toujours dans le même communiqué que : « L'image de l'Event Horizon Telescope a été obtenue en utilisant une méthode connue sous le nom d'interférométrie - une merveilleuse technique qui ne peut fonctionner que sur les très rares trous noirs supermassifs les plus proches de la Terre, tels que ceux de M87 et de notre Galaxie, la Voie lactée, parce que leur taille apparente dans le ciel est suffisamment grande... En revanche, notre approche est capable de sonder les quelques centaines de trous noirs supermassifs les plus proches qui consomment activement de la matière - et ce nombre augmentera considérablement avec le lancement du satellite Athena de l'ESA. ».

La mesure de la masse, du spin et des taux d'accrétion d'un grand échantillon de trous noirs devrait alors nous permettre de faire un nouveau bond en cosmologie pour comprendre l'évolution des galaxies. Athena sera mis en orbite au début des années 2030, au moment où la mission eLisa devrait aussi être opérationnelle et pouvoir commencer à nous donner également, via les ondes gravitationnelles, des renseignements sur les populations de trous noirs supermassifs.

  • La technique des échos de lumière est prometteuse pour mesurer notamment les masses et les vitesses de rotation des populations de trous noirs supermassifs.
  • Pour la première fois, cette technique a été utilisée avec le télescope XMM-Newton de l'ESA pour étudier le trou noir au cœur de la galaxie IRAS 13224–3809 via ses émissions en rayons X.
  • Alors que l'Event Horizon Telescope ne peut fonctionner que sur les très rares trous noirs supermassifs les plus proches de la Terre, la technique des échos de lumière est capable de sonder les quelques centaines de trous noirs supermassifs les plus proches qui consomment activement de la matière.
  • On devrait apprendre de l'étude de cette population de trous noirs, notamment avec le télescope Athena X de l'ESA qui devrait être lancé à l'horizon des années 2030.
Pour en savoir plus

Les échos de lumière des trous noirs : une clé pour sonder le cœur des galaxies

Article de Laurent Sacco publié le 22/04/2008

Le centre des galaxies est un lieu empli de mystères. En particulier, les astrophysiciens ne comprennent pas bien les phénomènes à l'œuvre dans le tore de poussières entourant les trous noirs à l'origine des quasars. Grâce à la découverte de l'écho de lumière causé par un flash en rayons X et en ultraviolets, émis par l'un de ces trous noirs, les chercheurs sont en train d'en apprendre plus.

Un des événements les plus spectaculaires en astrophysique est celui causé par la disruption d'une étoile s'étant approchée trop près d'un trou noir. Les forces de marée commencent par déformer l'étoile en une sorte de ballon de rugby, l'allongent ensuite en forme de cigare puis l'aplatissent pour en faire une crêpe avant de la mettre intégralement en pièces (voir la figure 1). Une partie du gaz ainsi libéré se met à spiraler en direction du trou noir où il vient alimenter brutalement un disque d'accrétion en matière fraîche. Par frottement, la matière s'échauffe et rayonne en émettant un flash puissant de rayons ultraviolets et X.

Ce phénomène a fait l'objet de nombreuses études théoriques et à l'ordinateur, en particulier par l'astrophysicien et cosmologiste bien connu, Jean-Pierre Luminet. Il a aussi été observé ces dernières années, bien que rarement. A mesure que le flash s'éloigne du trou noir lui ayant donné naissance, cette bulle de lumière entre en interaction avec des nuages de matière interstellaire d'ordinaire peu lumineux et difficilement détectables. A son contact, ces nuages se mettent à briller et la lumière détectée sur Terre fournit de précieux renseignements sur leur localisation et les conditions physico-chimiques qui y règnent (voir la figure 2).

Malheureusement, ces événements étant rares et transitoires, il est difficile pour les astronomes de les observer et de profiter de cette fenêtre observationnelle que sont les échos de lumière.

Figure 1. Une étoile passant près d'un trou noir prend une forme de cigare avant d'être mise en pièces. Une partie de la matière chaude tombe dans le trou noir, l'autre est éjectée au loin. © Nasa/CXC/M Weiss

Un écho lumineux trop étrange

Stefanie Komossa du Max Planck Institute for extraterrestrial Physics à Garching (Allemagne) a eu de la chance. Elle et ses collègues étaient en train d'étudier une galaxie (portant le numéro SDSSJ0952+2143 dans le catalogue du Sloan Digital Sky Survey) lorsqu'ils ont repéré des caractéristiques anormales dans son spectre. Analysé en décembre 2007, ce dernier montrait la présence de très fortes raies d'émissions associées à des atomes de fer. En outre, rapporté à l'intensité d'émission des raies des atomes d'oxygène également détectées, le quotient obtenu était le plus élevé jamais observé pour le spectre d'une galaxie.

Pour les astrophysiciens, l'explication la plus probable est la suivante. Une étoile vient juste d'être détruite par le trou noir supermassif central et le flash de lumière produit est en train d'exciter les atomes présents dans le gaz interstellaire au centre de la galaxie. Mieux, les caractéristiques du spectre font penser que le flash voyage actuellement dans le tore moléculaire encerclant le disque d'accrétion du trou noir central. Une aubaine pour analyser ce qui s'y passe ! En outre, la présence de fortes raies d'émissions de l'atome d'hydrogène fait penser qu'il s'agit des débris de l'étoile encore en train d'être avaler par le trou noir central.

Si ces hypothèses se confirment, les astrophysiciens viennent de découvrir une clé pour explorer plus profondément ce qui se passe dans les noyaux actifs de galaxie (AGN) et comprendre la physique de l'accrétion de la matière autour des trous noirs supermassifs.

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