Une vue d'artiste d'un trou noir avec un disque d'accrétion et émettant un jet de matière. © Nasa, JPL-Caltech, R. Hurt (IPAC)
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Ce trou noir joue au boomerang avec sa lumière !

ActualitéClassé sous :trou noir , XTE J1550-564 , binaire X

Le champ de gravitation d'un trou noir peut être si extrême qu'il attire vers lui la lumière issue de son disque d'accrétion. C'est le cas avec celui faisant partie du système binaire XTE J1550-564 observé par le défunt satellite Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE).

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Il était déjà clair du temps d'Einstein, dans les années 1930, que la théorie de la relativité générale permettait d'étonnants phénomènes d'optique relativiste en déviant les rayons lumineux. Einstein avait ainsi commencé à développer le concept de lentille gravitationnelle au cours de ces années. Des décennies plus tard, juste à la fin de ce qu'il est convenu d'appeler l'âge d'or de la physique théorique des trous noirs -- généralement compris comme allant depuis la découverte en 1963 par Roy Kerr, de sa solution décrivant un trou noir en rotation jusqu'à la découverte par Stephen Hawking de l'évaporation des trous noirs en 1973 --, ces astres compacts allaient révéler des phénomènes optiques encore plus spectaculaires.

Comme l'explique Jean-Pierre Luminet dans un article consacré à l'imagerie des trous noirs dont il a été l'un des principaux pionniers, plusieurs astrophysiciens relativistes au cours des années 1970, comme lui-même et le prix Nobel de physique Kip Thorne, se sont occupés à ce moment-là de modéliser les signatures observationnelles de trous noirs entourés d'un disque d'accrétion.

La matière arrachée à une étoile constituant un système binaire avec un trou noir forme en effet un disque de plasma suffisamment chaud pour émettre copieusement du rayonnement X avant de traverser l'horizon des événements de l'astre compact ou d'être éjectée sous forme de jets relativistes. D'autres rayonnements sont, bien sûr, émis dans le domaine radio et dans celui de l'infrarouge tout autant que celui des ultraviolets ou des rayons gamma. De fait, la première image d'un trou noir a été obtenue en utilisant un réseau de radiotélescopes, celui de la collaboration Event Horizon Telescope et elle a été révélée il y a un an le 10 avril 2019.

Les trous noirs sont parmi les objets les plus opaques de l'Univers. Ils sont cependant 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

Une technique pour mesurer la vitesse de rotation des trous noirs

Les calculs de Jean-Pierre Luminet montraient par exemple que la déviation des rayons lumineux par le champ de gravitation d'un trou noir pouvait être si forte que l'on pouvait observer la partie cachée de son disque d'accrétion, comme si le disque était déformé au point de se dresser partiellement au-dessus de la silhouette de l'horizon des événements du trou noir qu'il entoure.

Aujourd'hui, une équipe internationale d'astrophysiciens a publié un article dans The Astrophysical Journal qui fait état de la première confirmation observationnelle d'un phénomène d'optique relativiste associé au disque d'accrétion d'un trou noir prédit dans les années 1970. Dans cet article en accès libre sur arXiv, les chercheurs expliquent qu'ils ont fait leur découverte en fouillant dans les archives des mesures faites avec le satellite d'observation en rayons X Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE), un des prédécesseurs de Chandra et Spektr-RG.

Schémas illustrant la courbure des rayons lumineux émis par le disque d'accrétion d'un trou noir au point de revenir heurter ce disque où ils sont partiellement réfléchis. © Nasa, JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)

Lancée en 1995, la mission RXTE  a pris fin en 2012 mais elle a eu le temps d'observer une binaire à rayons X formée d'une étoile en orbite autour d'un trou noir et qui est désignée par XTE J1550-564. Ce sont les données collectées à l'occasion d'éruption dans le disque d'accrétion, en 1998 et 2000 notamment, qui recelaient les informations recherchées.

L'étude des caractéristiques du rayonnement émis par le disque d'accrétion du trou noir a permis de mettre en évidence que tout se passait conformément aux calculs vieux de plus de 40 ans. Une partie des rayons lumineux issus du disque d'accrétion est tellement courbée par la courbure de l'espace-temps du trou noir de masse stellaire qu'elle revient tel un boomerang vers une autre partie du disque qu'elle illumine. En réponse, le disque réfléchit une partie de cette lumière dans des proportions bien définies et qui ont été mesurées en accord avec la théorie.

Selon un communiqué du célèbre Caltech au sujet de cette découverte, la méthode devrait permettre de mesurer le spin des trous noirs et donc de déterminer leur vitesse de rotation. Si elle est assez élevée, non seulement les trajectoires des rayons lumineux sont courbées mais elles sont aussi tordues.

  • La gravitation peut dévier des rayons lumineux au point de produire un phénomène de lentille gravitationnelle comme l'a montré Einstein au cours des années 1930.
  • Les trous noirs peuvent produire des effets encore plus spectaculaires en courbant les rayons issus des disques d'accrétions qui les entourent parfois, notamment lorsque ces astres compacts font partie d'un système binaire avec une étoile compagne à laquelle ils arrachent de la matière.
  • Un phénomène prévu dès les années 1970 a finalement été observé dans le domaine des rayons X dans le système binaire XTE J1550-564 avec le satellite Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE).
  • Le champ de gravitation du trou noir y est si extrême qu'il attire vers lui une partie de la lumière issue de son disque d'accrétion qui retombe sur lui tel un boomerang avant d'être partiellement réfléchie.
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