L’existence de « tourbillons gravitationnels » autour des trous noirs a été prouvée

Par: Monique Menard | 2020-04-25

Un mystère qui a échappé aux astronomes pendant 30 ans a été résolu.

L’observatoire à rayons X en orbite de l’Agence spatiale européenne, XMM-Newton, a prouvé l’existence d’un « vortex de gravité » autour d’un trou noir. Cette découverte, également basée sur les données de l’observatoire spatial NASA Nuclear Spectroscopic Telescope Array, résout un mystère qui a échappé aux astronomes depuis 30 ans et permet aux scientifiques de déterminer le comportement de la matière autour du trou noir. Ces nouvelles données ouvrent également la porte à de futures recherches sur la théorie générale de la relativité d’Albert Einstein.

La chute dans un trou noir réchauffe la substance à des millions de degrés. À cette température élevée, il émet des rayons X dans l’espace.

Dans les années 1980, les astronomes utilisant les premiers télescopes ont découvert que les rayons X provenant des masses stellaires proches des trous noirs de notre Galaxie vacillaient. Le scintillement change de motif. Il y a un flash au début, puis un affaiblissement et un autre flash. Pendant des jours, des semaines, des mois, la période est raccourcie jusqu’à ce que la fluctuation atteigne 10 fois par seconde, puis disparaît soudainement complètement.

Ce phénomène est appelé oscillation quasi périodique. « Cela a été immédiatement reconnu comme quelque chose d’excitant parce que cela vient de quelque chose qui se rapproche d’un trou noir », a déclaré Adam Ingram de l’Université d’Amsterdam.

Dans les années 1990, les scientifiques ont commencé à soupçonner que les oscillations quasi périodiques sont associées à l’effet gravitationnel prédit par la théorie générale de la relativité d’Einstein: un objet en rotation va créer une sorte de tourbillon gravitationnel.

« C’est comme si on faisait tourner une cuillère de miel. Imaginez que le miel est un espace, et que tout ce qui s’y trouve sera enroulé autour d’une cuillère. En fait, cela signifie que toute orbite d’un objet en rotation changera son orientation par rapport au centre. Dans le cas d’une orbite inclinée, l’objet se « précessera ». Le temps qu’il faut pour revenir à son état initial est appelé le cycle de précession », explique Adam Ingram.

En 2004, la NASA a lancé la mission spatiale « Gravity Probe B » pour mesurer l’effet dit « Lens-Tirring » autour de la Terre. Après une analyse minutieuse, les scientifiques ont déterminé que le vaisseau spatial accomplira le cycle complet de précession dans 33 millions d’années.

Cependant, autour du trou noir, l’effet sera beaucoup plus visible en raison du fort champ gravitationnel. Le cycle de précession prendra quelques secondes, voire moins. Elle était si proche de fluctuations quasi périodiques que les scientifiques ont commencé à soupçonner un lien.


Image artistique d’un disque d’accrétion avec une région interne de pré-compression. Crédits: ESA/ATG medialab

Adam Ingram a commencé à travailler sur la question en examinant ce qui se passait dans le disque plat de matière entourant le trou noir. Dans un endroit connu sous le nom de disque d’accrétion, la matière se déplace progressivement en spirale à l’intérieur du « monstre ». Les scientifiques ont suggéré qu’à proximité du trou noir, un disque d’accrétion plat est soufflé dans un plasma chaud dans lequel les électrons sont retirés de leurs atomes. Le flux absorbé par le trou noir se rétrécit en quelques semaines et quelques mois. Ingram, avec ses collègues, a publié en 2009 un article sur le fait que les oscillations quasi périodiques sont contrôlées par la précession de ce courant chaud. En effet, le flux interne diminue à l’approche du trou noir et son cycle de précession devient donc plus rapide. La question est de savoir comment le prouver.

« Nous avons passé beaucoup de temps à essayer de trouver des preuves tangibles de ce comportement », a déclaré Ingram. La réponse est que le flux interne émet un rayonnement de haute énergie qui frappe la matière dans le disque, faisant briller les atomes de fer comme des tubes fluorescents. « Le fer émet des rayons X d’une seule longueur d’onde, que l’on appelle la « ligne spectrale ».

Comme le disque d’accrétion tourne, la raie spectrale du fer a sa propre longueur d’onde déformée par l’effet Doppler. Si le flux interne est vraiment en précession, il brillera parfois sur le matériau du disque qui s’approche et parfois sur celui qui se retire, faisant osciller la ligne d’avant en arrière pendant le cycle de précession.

Le XMM-Newton verrouillé. Ingram et ses collègues ont fait une longue observation qui leur a permis d’observer à plusieurs reprises des oscillations quasi périodiques. Ils ont choisi le trou noir H 1743-322, qui présentait à l’époque des oscillations de quatre secondes. Les astronomes l’ont observé pendant 260 000 secondes avec XMM-Newton, et pendant 70 000 secondes avec NuStar, l’observatoire à rayons X de la NASA. « NuStar a confirmé l’oscillation de la ligne de fer et a en outre vu une caractéristique du spectre appelée « bosse réfléchissante », ce qui a ajouté des preuves en faveur de la précession.

Après une analyse minutieuse et une consolidation de toutes les données d’observation, les scientifiques ont déterminé que la ligne de fer oscillait selon les prédictions de la théorie générale de la relativité. « Nous avons directement mesuré le mouvement de la matière dans un fort champ gravitationnel près d’un trou noir! » – a déclaré Ingram.

Pour la première fois, l’effet Lenze-Thirring a été mesuré dans un fort champ gravitationnel. Cette méthode permettra aux astronomes de cartographier la substance dans les zones internes des disques d’accrétion autour des trous noirs. Il laisse également entrevoir un nouvel outil puissant pour tester la théorie générale de la relativité.

La théorie d’Einstein n’a pas été testée dans des champs gravitationnels aussi puissants. Si les astronomes peuvent comprendre la physique de la matière qui s’écoule dans un trou noir, ils peuvent l’utiliser pour tester les prédictions de la théorie générale de la relativité. Cela ne sera possible que lorsque le mouvement de la matière dans le disque d’accrétion sera parfaitement compris.

Des télescopes à rayons X plus grands pourraient aider dans les recherches futures, car ils pourraient collecter les rayons X plus efficacement. Cela permettrait aux astronomes d’étudier plus en détail le phénomène des oscillations quasi-périodiques, et aujourd’hui ils ne peuvent observer la gravité qu’à proximité d’un trou noir.

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