Le champ de gravitation d'un trou noir déforme fortement l'image du disque d'accrétion qui l'entoure et qui contient un plasma chaud et lumineux en rotation autour de l'astre. On peut s'en rendre compte avec cette image, extraite d'une simulation de ce que verrait un observateur s'approchant de l'astre compact selon une direction légèrement inclinée au-dessus du disque d'accrétion. La partie du disque située derrière le trou noir semble tordue à 90° et devient visible au-dessus du trou noir. Du fait du décalage Doppler, le disque d'accrétion est plus lumineux d'un côté que de l'autre. Jean-Pierre Luminet a fait la première simulation de ces images en 1979, bien avant celle montrée dans Interstellar qui contient, fiction oblige, quelques simplifications trompeuses. © Jean-Pierre Luminet, Jean-Alain Marck
Sciences

Des étoiles qui dansent avec des trous noirs dans la Voie lactée

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[EN VIDÉO] Des systèmes binaires d'étoiles et de trous noirs  Assemblage réalisé par la Nasa de 22 systèmes binaires comprenant une étoile et un trou noir de masse stellaire. Leurs danses sont accélérées 22.000 fois et montrées telles qu’elles sont observées depuis la Terre. Les couleurs des étoiles et des disques d’accrétion qui entourent les trous noirs témoignent de leurs températures. © Nasa 

Les trous noirs n'émettent pas de lumière par définition même s'ils sont susceptibles de rayonner selon le processus découvert par Stephen Hawking dans certaines conditions. Pourtant, il est possible d'imager et de détecter indirectement des trous noirs via le rayonnement émis par la matière dont ils s'entourent parfois en formant des disques d'accrétion. La Nasa a mis en ligne quelques animations plausibles décrivant la nature et les propriétés de certains systèmes binaires à rayons X contenant des trous noirs, du moins le croit-on, dans la Voie lactée.

Tout récemment un communiqué conjoint de European Southern Observatory (ESO) et de l'Event Horizon Telescope (EHT) a fait savoir que le 12 mai 2022 il y aura en ligne une conférence, à 15 h 00 en France, qui fera état de nouveaux résultats et notamment au sujet du trou noir supermassif de la Voie lactée. Il contient un peu plus de 4 millions de masses solaires et comme pour tous les autres trous noirs supermassifs, on ne sait pas comment il s'est formé. On n'est pas certain non plus que l'astre compact débusqué vers le centre de notre Galaxie avec cette masse soit bel et bien un trou noir même si cela semble très probable.

On connaît par contre bien d'autres astres de ce genre, mais nettement moins massifs, que l'on considère également comme des trous noirs dans la Voie lactée. Leur origine est nettement moins mystérieuse puisqu'il s'agit de trous noirs dits de masse stellaire contenant en général entre 5 et 15 fois la masse du Soleil.

Faisons quelques rappels sur ces trous noirs stellaires en reprenant ce que Futura avait expliqué à leur sujet dans un précédent article.

Lorsqu'une étoile de plus de 8 masses solaires s'effondre gravitationnellement après avoir épuisé son carburant nucléaire et qu'elle contient encore au moins plusieurs masses solaires malgré les vents stellaires violents en fin de vie qui ont éjecté une partie non négligeable de sa masse initiale et surtout son explosion en supernova SN II a ce moment-là, l'espace-temps à l'intérieur de cette étoile devient dynamique et ressemble beaucoup à celui de l'Univers observable lors du Big Bang. La grande différence étant bien sûr que dans le premier cas l'espace est en contraction alors que dans le second il est en expansion.

L'effondrement de l'étoile va parfois conduire sa matière à passer sous la surface de l'horizon des événements du trou noir de masse équivalente à celle de l'étoile finale, ce qui veut dire en fait que l'étoile devient un trou noir. Au début des années 1960, deux équipes de chercheurs, états-unienne et russe, ont montré sur ordinateur que la formation de cet horizon était tout à fait crédible en se basant uniquement sur les lois de la physique connues de l'époque. Par contre, ces simulations numériques et d'autres calculs analytiques ne permettaient pas vraiment de savoir ce qui se passait en fin d'effondrement gravitationnel, sous l'horizon des événements.

Les trous noirs, des laboratoires pour la physique fondamentale

C'est le prix Nobel Roger Penrose qui va finalement démontrer en 1965 que si l'on croit aux équations de la théorie de la relativité générale, un point de densité infinie et de courbure de l'espace-temps qui l'est tout autant, doit apparaître une singularité de l'espace-temps, et ce contrairement aux calculs de deux physiciens russes légendaires qui affirmaient le contraire, Evgeny Lifshitz et Isaak Khalatnikov.

Toutefois, des effets quantiques et une nouvelle physique de la matière et des forces devaient intervenir et étaient susceptibles de changer la donne. Or, tout comme l'effondrement d'une étoile en trou noir est en quelque sorte l'inverse de l'expansion de l'Univers observable au moment du Big Bang, une singularité gravitationnelle devait apparaître au tout début de l'existence du cosmos ou justement être évitée. Probablement en raison des lois d'une théorie quantique de la gravitation capable de décrire ce que John Wheeler, l'inventeur du mot trou noir, a appelé l'écume de l’espace-temps et qui fait l'objet du dernier ouvrage de Jean-Pierre Luminet.

Les trous noirs sont parmi les objets les plus opaques de l'Univers. Heureusement, 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 le site Du big bang au vivant. © Groupe ECP-YouTube

Dès la fin des années 1960, le programme à mener pour comprendre l'origine de l'Univers et jeter une nouvelle lumière sur celle de l'Homme et sa place dans la Nature était donc clair, il fallait étudier la physique des trous noirs et comprendre l'état final de l'effondrement de la matière-espace-temps, pour reprendre le titre du célèbre cours de relativité générale d'Hermann Weyl.

Mais, en préambule à ce programme se posait naturellement une question. Existent-ils vraiment ces trous noirs ?

Un premier élément de réponse est arrivé au cours de l'année 1971 où des observations rendues possibles par l'essor de la radioastronomie et de l'astronomie X ont commencé à accréditer l'idée que l'astre compact dépassant la masse limite autorisée par l'existence d'une étoile à neutrons, et qui était en orbite autour d'une étoile supergéante bleue dans la Voie lactée en direction de la Constellation du Cygne, pouvait être un trou noir. La source X détectée, et par extension le trou noir et même le système binaire le contenant, fut appelée Cygnus X1.

Comme l'explique Jean-Pierre Luminet dans la vidéo ci-dessus, c'est le rayonnement X émis par la matière arrachée à une étoile compagne par des forces de marée et qui est chauffée par des forces de frottement visqueux en formant un disque d'accrétion tout en tombant en spirale vers le trou noir qui trahit sa présence. Un trou noir stellaire isolé n'émettrait pas contre aucun rayonnement, même pas selon le processus découvert par Stephen Hawking car dans l'Univers actuel il est encore trop froid par rapport au rayonnement fossile.

Un zoo de trous noirs stellaires dans la Voie lactée

D'autres candidats au titre de trous noirs stellaires ont depuis été découverts dans la Voie lactée, toujours débusqués par des émissions de rayons X. La Nasa nous les présente aujourd'hui avec une série d'animations montrant une vingtaine de systèmes binaires à rayons X qui hébergent des trous noirs confirmés. Ces systèmes sont montrés à la même échelle mais avec les vitesses des étoiles compagnes sur orbite accélérées environ 22.000 fois. La vue de chaque système reflète la façon dont nous le voyons depuis la Terre. Les températures s'élèvent en s'approchant du bord du disque d'accrétion avec en conséquence des émissions dans le visible, l'ultraviolet et enfin les rayons X.

Les couleurs des étoiles allant du bleu-blanc au rougeâtre représentent des températures de 5 fois plus chaudes à 45 % plus froides que la surface de notre Soleil. Dans la plupart de ces systèmes, un flux de matière provenant de l'étoile et arraché par des forces de marée forme un disque d'accrétion autour du trou noir. Dans d'autres, comme le célèbre système appelé Cygnus X-1, l'étoile produit une sorte de vent de matière important qui est en partie capturé par la gravité du trou noir pour former là aussi un disque. Les disques d'accrétion utilisent une palette de couleurs différente car ils arborent des températures encore plus élevées que les étoiles. Le plus grand disque représenté, appartenant à un binaire appelé GRS 1915, s'étend sur une distance supérieure à celle séparant Mercure de notre Soleil. Les trous noirs eux-mêmes sont toutefois représentés plus grands qu'en réalité en utilisant des sphères mises à l'échelle pour refléter leurs masses. © Nasa's Goddard Space Flight Center and Scientific Visualization Studio

Voici quelques exemples plus précis extraits de la vidéo précédente et avec des indications de distance au Système solaire, les masses des trous noirs et des étoiles compagnes, souvent des géantes qui vont évoluer rapidement en quelques millions d'années avant d'exploser en supernova, ce qui pourrait donner naissance à des trous noirs binaires, mais pas toujours, déjà parce que le cadavre stellaire supplémentaire pourrait être une étoile à neutrons et que l'explosion pourrait séparer les deux astres.

Cygnus X1 le premier trou noir stellaire découvert. Son étoile compagne contient 40 masses solaires et elle boucle son orbite en 5,6 jours. Le Soleil (sun en anglais) est représenté à l'échelle en bas à droite (son diamètre est d'un peu plus d'un million de kilomètres. © Nasa's Goddard Space Flight Center and Scientific Visualization Studio
Maxi J1659 est le système avec la période orbitale la plus courte, seulement 2,4 heures. © Nasa's Goddard Space Flight Center and Scientific Visualization Studio
A0620-00 est le système binaire accrétant de la matière arrachée à son étoile hôte le plus proche du Soleil. © Nasa's Goddard Space Flight Center and Scientific Visualization Studio
Cette animation compare le plus grand système, GRS 1915+105, découvert en 1992, avec son petit cousin H1705-25, découvert en 1977 lors de son éruption sous forme d'une nova à rayons X. On pense que leurs trous noirs pèsent respectivement 15 et 7 masses solaires. Le disque d'accrétion de GRS 1915 peut s'étendre sur plus 80 millions de kilomètres, soit plus que la distance séparant Mercure du Soleil. © Nasa's Goddard Space Flight Center and Scientific Visualization Studio
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