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En vidéo : des trous noirs propulsés par ondes gravitationnelles

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On savait déjà, depuis les années 60, qu'un système binaire constitué de trous noirs de masses stellaires pouvait s'auto-propulser en émettant des ondes gravitationnelles. Des chercheurs du Rochester Institute of Technology viennent de montrer que l'effet pouvait fonctionner lors de la fusion de deux trous noirs supermassifs. Celui-ci peut même être suffisamment violent au point d'éjecter le trou noir final du centre d'une galaxie.

A première vue, le phénomène semble impossible. En effet, un système composé de deux trous noirs qui est initialement au repos dans un référentiel donné devrait y rester, à cause de la conservation de la quantité de mouvement de ce système, en l'absence de forces extérieures s'exerçant sur lui. Conclusion juste en physique newtonienne, mais fausse en relativité générale.

Le mouvement des deux trous noirs est accéléré dans le centre de masse du système, cela conduit donc à une perte d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. Les deux astres spiralent alors l'un vers l'autre de plus en plus vite jusqu'à la fusion, ce qui constitue un mouvement asymétrique et génère donc aussi une émission asymétrique d'ondes. Or celles-ci n'emportent pas seulement avec elles de l'énergie, mais aussi de la quantité de mouvement. Le bilan final est alors non nul pour le trou noir ainsi formé, qui n'est alors plus au repos dans le référentiel initial.

Des calculs numériques avaient montré que la vitesse acquise était de l'ordre d'une centaine de km par seconde. C'est beaucoup mais c'est tout à fait insuffisant pour éjecter un trou noir du centre d'une galaxie. Manuela Campanelli et ses collègues se sont alors rappelés du fait suivant : les trous noirs ne sont pas statiques en général. Ils tournent sur eux-mêmes et sont donc décrits par la solution de Kerr dépendant non seulement de la masse M du trou noir, comme dans la solution de Schwarzschild, mais aussi de son moment cinétique J.

L'équipe comprenant Carlos Lousto, Yosef Zlochower et David Merritt a donc modifié avec Manuela Campanelli les programmes de simulation informatique en introduisant des moments cinétiques pour les deux trous noirs. Surprise ! En fonction des valeurs de ceux-ci, et de leur alignement respectif, de larges variations de la vitesse finale du système ont été obtenues par le calcul. Lorsque les deux trous noirs ont leurs moments cinétiques anti-parallèles, et dans le plan de l'orbite, la vitesse acquise atteint les 4 000 km par seconde !

La vitesse nécessaire pour s'échapper complètement d'une grosse galaxie varie entre 1000 et 2000 km par seconde, c'est donc plus qu'il n'en faut.


Simulation informatique de la fusion des deux trous noirs. Notez les moments cinétiques antiparallèles et le départ final du trou noir perpendiculairement au plan de l'orbite (Crédit : Hans-Peter Bischof (RIT)).

Bien sûr, un tel alignement des moments cinétiques est improbable mais d'après les simulations de chercheurs, dans lesquelles plusieurs configurations aléatoires ont été étudiées, des vitesses de plusieurs centaines, voire un millier de km par seconde, ne sont pas rares. C'est peut-être la raison pour laquelle nombre de galaxies naines ne possèdent pas de trous noirs centraux, ils auraient fini par être éjectés.

Les chercheurs étudient maintenant les conséquences du départ du trou noir central sur le centre d'une galaxie. De plus, son champ de gravitation devrait être assez puissant pour entraîner du gaz avec lui. Ce qui, par accrétion, pourrait lui permettre d'émettre suffisamment de rayonnement pour qu'on détecte sa présence en dehors des galaxies. Une piste pour l'explication d'un curieux quasar, HE0450-2958, qui ne semble pas être lié à une galaxie.

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