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Trou noir : disque d'accrétion, rayon de Schwarzschild et limite d'Eddington

Dossier - Quasar : l'énigme des quasars
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Les quasars, ces astres extrêmement lumineux et lointains, sont identifiés : nous savons que ce sont des noyaux de galaxies très brillants. Leur nom signifie « quasi étoile ». Ils sont lointains, compacts et pleins d’énergie. Le dévoilement de leur mystère représente une magnifique page dans le livre des découvertes de l’astrophysique.

  
DossiersQuasar : l'énigme des quasars
 

Au cours des années 1960, les astrophysiciens russes Yakov Zeldovich et Igor Novikov, ainsi que l'Américain Edwin Salpeter (décédé en décembre 2008), supposèrent qu'un trou noir devait se situer au centre des galaxies actives et des quasars. On y observe en effet une grande concentration d'étoiles qui libèrent de colossales quantités de gaz migrant vers la région centrale. Cette matière se rapproche progressivement du trou noir en spiralant autour de lui avant de s'y agglutiner, tout comme l'eau d'un robinet s'écoule en spirale d'un lavabo.

Connaîtrons-nous bientôt les mystères des trous noirs et des quasars ? © Reinhold Wittich, Shutterstock

Toute la matière qui chute vers le trou noir - étoiles, gaz, poussière - forme un disque tournoyant, une sorte de cocon de matière que l'on appelle « disque d'accrétion » qui, durant cette phase, rayonne de grandes quantités d'énergie ultraviolette.

Disques d'accrétion sombres observés par le HST dans la constellation d'Orion. Ces disques se forment autour d'une protoétoile et donneront naissance à de nouveaux systèmes solaires. Dans un quasar, les disques d'accrétion autour du trou noir central sont extrêmement chauds et rayonnent leur lumière dans l'ultraviolet et les rayons X. Ils sont similaires au disque formé au centre de la Voie Lactée (voir notre article L'étrange calme des sources gamma du centre de la Voie lactée). © Wikipédia

Trou noir et rayon de Schwarzschild

Pour un trou noir immobile, le rayon d'approche autorisé est donné par le rayon de Schwarzschild, qui constitue un véritable mur de stabilité et confine la matière dans une banlieue située à quelques « encablures » du trou noir. En deçà, elle disparaît sans autre forme de procès.

Si le trou noir tourne sur lui-même, le rayon d'approche autorisé avant l'absorption définitive est bien plus petit. En chutant, la matière tourbillonne de plus en plus vite, ce qui lui évite l'absorption immédiate. Le disque devient une conséquence naturelle de cette rotation qui a pour effet de tout aplatir, à la manière des anneaux de Saturne. Près du trou noir, les frottements, les cisaillements au sein de la matière portent le disque à l'incandescence.

L'énergie ainsi obtenue par friction s'échappe de la surface du disque sous forme de rayons X et ultraviolets, à une température qui, très près du centre, dépasse les 100.000 K. Le reste de la matière continue à tomber graduellement avant de disparaître au-delà de la barrière ultime de stabilité.

L'essentiel est là : tout ce processus libère de l'énergie, avec un rendement au moins dix fois supérieur à celui de la fusion nucléaire ! Ce dernier point est très important car il permettrait de résoudre élégamment une crise énergétique dans des volumes modestes ! L'intensité du rayonnement émergent peut varier dans une échelle de temps très courte, conformément à ce qui est observé.

Les trous noirs ont une masse telle qu’ils avalent tout ce qui passe à leur portée.Futura a rencontré Roland Lehoucq, astrophysicien, afin de savoir ce qui arrive à la matière qui y pénètre.© Futura

Luminosité des quasars et limite d'Eddington

Prenons un exemple : un trou noir d'un milliard de fois la masse du Soleil a un rayon de Schwarzschild de trois milliards de kilomètres. La lumière traverse le disque d'accrétion qui l'entoure en une dizaine d'heures (3.000.000.000 km : 300.000 km/s => 30.000 s, soit un peu plus de 8 h) ! Pour alimenter un tel système, les 10 à 30 masses solaires de gaz destinés chaque année à engendrer la luminosité observée sont précisément équivalentes à ce que l'ensemble des étoiles normales proches du centre rejette comme matière dans l'espace interstellaire.

À l'inverse, point trop n'en faut : si la luminosité devient trop grande, la lumière stoppe la matière qui s'approche et le processus s'arrête de lui-même par autorégulation. L'astrophysicien Arthur S. Eddington a établi la luminosité maximum au-delà de laquelle l'objet risque la rupture. Ce principe absolu régissant le comportement de la matière est une contrainte qui doit permettre de vérifier la validité de nos hypothèses. Or, les masses calculées et les luminosités observées sont telles que les quasars rayonnent très près de la limite d'Eddington, donc avec le maximum d'efficacité possible. Bravo !