Une brève histoire des trous noirs

La découverte de Cygnus X-1 en 1964 a rempli une pièce manquante du puzzle d'Einstein et a élargi notre compréhension de l'univers. 

Par Jeremy Schnittman  | Publication: jeudi 29 août 2019

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Dans la représentation de cet artiste de Cygnus X-1, un trou noir de masse stellaire dépouille le gaz de la surface de son étoile compagnon alors qu'ils tournent en orbite. Depuis les années 1970, il est depuis devenu le candidat le plus fort pour le trou noir, les scientifiques étant presque sûrs qu'il en est un. Initialement détecté aux rayons X, il a depuis été étudié dans divers autres spectres. 

Adolf Schaller pour l' astronomie

Le fondement de ce que nous savons des trous noirs est venu pendant la Grande Guerre. Imaginez la scène: décembre 1915. L'Europe et le monde se débattent sous le nuage sombre de la Première Guerre mondiale. Quelque part sur le front de l'Est, un ancien lieutenant d'artillerie allemande se blottit dans sa capote, se battant pour rester au chaud et au sec au fond d'une tranchée .

Avec des doigts engourdis et tremblants, il ouvre les dernières dépêches de chez lui. Un colis particulièrement volumineux attire son attention. Cette nuit-là, faisant preuve de prudence face au vent, il risque d'utiliser une lampe électrique pour lire le rapport long et détaillé. Il ne sait pas que ce sera sans doute l'œuvre la plus importante du génie créateur du XXe siècle.

L'auteur de ce document pivot était un physicien théoricien nommé Albert Einstein. Le récipiendaire était son collègue Karl Schwarzschild, directeur de l'Observatoire astrophysique de Potsdam et théoricien et mathématicien accompli. Malgré sa carrière astronomique, Schwarzschild, alors dans la quarantaine, rejoint l'effort de guerre. 

Quelques semaines auparavant, Einstein avait accompli 10 longues années de travail dévoué, développant avec succès sa théorie spéciale de la relativité pour inclure les forces gravitationnelles ainsi que l'électricité et le magnétisme. Dans quatre articles marquants publiés dans les Actes de l'Académie des sciences de Prusse, Einstein a exposé les fondements mathématiques de la théorie générale de la relativité, toujours considérée comme l'une des théories scientifiques les plus belles et les plus élégantes de tous les temps.

Albert Einstein a développé sa théorie de la gravité, connue sous le nom de relativité générale, en 1915. 

Archives Albert Einstein

Le summum de cet opus magnum a été publié le 25 novembre 1915, avec le titre concis «Les équations de champ de la gravitation». Bien que peut-être un peu opaque pour quiconque sans une solide compréhension du tenseur, les équations de champ peuvent être parfaitement résumées par les mots du grand physicien John Wheeler: «L'espace-temps dit à la matière comment se déplacer; la matière indique à l'espace-temps comment se courber. »

Tout comme la célèbre image de MC Escher de deux mains se dessinant, le raisonnement circulaire des équations de champ d'Einstein les rend à la fois élégantes, mais aussi notoirement difficiles à résoudre. À l'origine de cette difficulté se trouve l'équation beaucoup plus célèbre d'Einstein E = mc2, qui déclare que l'énergie et la matière sont interchangeables. Parce que la gravité est une forme d'énergie, elle peut se comporter comme de la matière, créant encore plus de gravité. Mathématiquement parlant, la relativité générale est un système non linéaire. Et les systèmes non linéaires sont vraiment difficiles à résoudre.

Il est facile d'imaginer le choc d'Einstein lorsque, au milieu d'une guerre terrible, Schwarzschild a écrit en quelques jours, décrivant la première solution connue aux équations de champ d'Einstein. Schwarzschild écrit modestement: «Comme vous le voyez, la guerre m'a assez bien traité, malgré les tirs nourris, pour me permettre de m'éloigner de tout et de faire cette promenade dans le pays de vos idées.» Einstein répond: «J'ai Lisez votre article avec le plus grand intérêt. Je ne m'attendais pas à ce que l'on puisse formuler la solution exacte du problème d'une manière aussi simple. J'ai beaucoup aimé votre traitement mathématique du sujet. »

Malheureusement, moins d'un an plus tard, Schwarzschild a succombé à une maladie de la peau contractée sur le front, se joignant aux millions de décès de la Première Guerre mondiale dus à la maladie. Il a laissé derrière lui une solution qui décrit complètement comment l'espace-temps est déformé en dehors d'un objet sphérique comme une planète ou une étoile. L'une des caractéristiques de cette solution mathématique est que pour les étoiles très compactes à haute densité, il devient beaucoup plus difficile d'échapper au champ gravitationnel de l'étoile. Finalement, il arrive un moment où chaque particule, même la lumière, devient piégée gravitationnellement. Ce point de non-fuite est appelé l'horizon des événements. À mesure que l'on s'approche de l'horizon des événements, le temps ralentit jusqu'à un arrêt complet.

Karl Schwarzschild a développé l'idée des trous noirs à partir des équations de la relativité en 1916, juste un an après la publication de sa théorie par Einstein.

Archives d'Emilio Segre

Pour cette raison, les premiers physiciens étudiant ces objets bizarres les appelaient souvent des «étoiles gelées». Aujourd'hui, nous les connaissons sous le nom utilisé pour la première fois par Wheeler en 1967: trous noirs. Même si l'horizon des événements faisait partie intégrante de la solution de Schwarzschild, il a fallu de nombreuses années avant que les trous noirs ne soient acceptés autrement que comme une curiosité mathématique. La plupart des plus grands experts mondiaux de la relativité générale dans la première moitié du 20e siècle étaient absolument convaincus que les trous noirs ne pourraient jamais se former dans la réalité. Arthur Eddington a insisté: "Il devrait y avoir une loi de la nature pour empêcher une étoile de se comporter de cette manière absurde."

Le problème a été compliqué par le développement simultané de la mécanique quantique, un nouveau domaine presque entièrement caractérisé par des cas de nature se comportant de façon absurde. Les physiciens travaillant à l'intersection de la mécanique quantique et de la relativité générale ont commencé à apprécier l'importance cruciale des deux champs pour comprendre les étoiles très massives et denses. Mais la nature bizarre de ces nouvelles branches de la physique a mis à rude épreuve l'intuition même la plus douée, de sorte que même 50 ans après l'article historique de Schwarzschild, il n'y avait toujours pas de consensus sur l'existence de trous noirs.

Trouvez l'invisible

Une chose était claire: si des trous noirs existaient, ils étaient très probablement formés par l'effondrement d'étoiles massives, incapables de supporter leur propre poids après avoir manqué de combustible nucléaire. La question sur laquelle la plupart des astronomes se concentraient était: «Comment les trouvons-nous?» Après tout, les trous noirs n'émettent aucune lumière propre. L'astronomie a besoin de lumière, et pour faire de la lumière, vous avez généralement besoin de matière - plus elle est chaude et lumineuse, mieux c'est.

Fortuitement, la fin des années 1960 a marqué le début de l'astronomie des rayons X avec une série de fusées et de satellites qui pourraient sonner au-dessus de l'atmosphère terrestre, qui autrement bloquerait tous les rayons X célestes.

Lors d'un court vol de fusée en 1964, les astronomes ont découvert l'une des sources de rayons X les plus brillantes du ciel, dans la constellation du Cygne, surnommée Cygnus X-1 (Cyg X-1 pour faire court). Cependant, il ne coïncidait avec aucune source optique ou radio particulièrement brillante, laissant son origine physique un mystère. Lorsque le satellite d'exploration de rayons X Uhuru de la NASA a été lancé en 1970, des observations plus détaillées sont devenues possibles, réduisant l'incertitude de son emplacement. L'une des premières découvertes remarquables a été la variabilité rapide du Cyg X-1, sur des échelles de temps inférieures à une seconde. Cela suggère fortement que la taille physique de la région d'émission de rayons X était assez compacte, beaucoup plus petite qu'une étoile typique. Qu'est-ce qui pourrait éventuellement contenir autant d'énergie dans une si petite zone?

Le Cygnus X-1 (le plus brillant des étoiles par la flèche) se trouve dans un champ riche près du plan de la Voie lactée, et ne ressemble pas beaucoup aux longueurs d'onde visibles. 

NOAO / AURA / NSF

En un an, un homologue stellaire du Cyg X-1 a été identifié, permettant aux astronomes de le confirmer en tant que système binaire et d'estimer la masse du compagnon en mesurant le décalage Doppler du spectre de l'étoile en orbite. La réponse a été un énorme 15 fois la masse du Soleil, dépassant de loin toute limite théorique pour les naines blanches ou les étoiles à neutrons. Dans l'ensemble, la variabilité temporelle rapide, la grande luminosité des rayons X et l'estimation de masse élevée se sont combinées pour faire de Cyg X-1 un excellent candidat pour le premier trou noir de masse stellaire. (Des preuves solides de trous noirs supermassifs se construisaient également depuis des années, en grande partie grâce à l'étude de Maarten Schmidt sur les quasars. .)

Alors que des télescopes à rayons X plus sensibles ont été lancés au cours des années suivantes, l'affaire n'a fait que se renforcer. Nous avons maintenant vu la variabilité des rayons X du Cyg X-1 sur des échelles de temps aussi courtes qu'une milliseconde, confinant la région d'émission à des centaines de kilomètres, juste quelques fois la taille de l'horizon des événements. En observant les rayons X des trous noirs, nous pouvons directement sonder les propriétés de l'espace-temps prédites par la relativité générale.

Le Cygnus X-1 est apparu pour la première fois lorsque les astronomes ont découvert qu'il s'agissait d'une source intense de rayons X. Dans cette vue de l'observatoire aux rayons X de Chandra, le rayonnement à haute énergie est coloré en bleu. 

NASA / CXC / CFA

Regarder un horizon d'événements

Bien que les trous noirs de masse stellaire soient parmi les sources de rayons X les plus brillantes du ciel, ils sont également parmi les plus inconstants. Au cours des 40 années et plus qui se sont écoulées depuis la découverte que le Cyg X-1 est probablement un trou noir, seules quelques dizaines d'autres candidats de trous noirs ont été identifiés. La plupart de ceux-ci n'ont été détectables que pendant de courtes explosions imprévisibles qui ont duré environ un mois avant de disparaître à nouveau pendant des décennies. Comparez cela avec leurs homologues supermassifs: le Sloan Digital Sky Survey a identifié à lui seul plus de 100000 quasars (les centres énergétiques de jeunes galaxies éloignées), chacun alimenté par un trou noir supermassif accrétant.

En plus de ce comportement de «repos» le plus courant, les astronomes ont identifié trois autres états majeurs présentés par les trous noirs de masse stellaire: dur, mou et intermédiaire. Ces noms décrivent les propriétés observables des spectres de rayons X dans chaque état. Nous ne savons pas encore exactement quels mécanismes physiques conduisent ces différents comportements, mais ils sont probablement liés à deux choses: la quantité de gaz que le trou noir s'accumule et la force des champs magnétiques intégrés dans le gaz.

Dans le jargon astronomique, un spectre «dur» signifie que nous voyons plus de rayons X à haute énergie que de basse énergie, et «doux» est le contraire. Bien sûr, même «basse énergie» est un terme relatif, car ces photons proviennent d'un disque d'accrétion à une température de millions de degrés, par rapport à la couronne, qui possède une température supérieure à 1 milliard de degrés!

L'état intermédiaire montre la preuve d'un disque d'accrétion mince et frais entouré d'une couronne chaude et diffuse comme la surface de notre propre soleil. Dans cet état, les rayons X à haute énergie provenant de la couronne brillent sur le disque. Certains de ces rayons X sont absorbés par les traces de fer mélangées dans les gaz du disque. Le fer brille alors comme le gaz fluorescent dans une lumière au néon, émettant plus de rayons X à des longueurs d'onde très spécifiques. Parce que le gaz dans le disque tourne autour du trou noir à presque la vitesse de la lumière, les rayons X provenant du disque subissent des décalages Doppler extrêmes, apparaissant à un observateur distant à des longueurs d'onde plus courtes lorsque le gaz se déplace vers l'observateur et à des longueurs d'onde plus longues en s'éloignant. En mesurant soigneusement les longueurs d'onde des rayons X d'un trou noir accrétant,

Spin original

Étant donné que la première solution aux équations de champ d'Einstein a pris moins d'une semaine à Schwarzschild, il a dû sembler une éternité d'attendre près d'un demi-siècle avant que la nouvelle solution de trou noir ne soit découverte par le Néo-Zélandais Roy Kerr en 1963. ( Une autre solution, le trou noir Reissner-Nordstrom, a été publiée presque immédiatement après celle de Schwarzschild, mais est également limitée aux systèmes à symétrie sphérique et mathématiquement presque identique.) Kerr a fait sa formulation à l'Université du Texas à Austin.

Contrairement aux trous noirs de Schwarzschild, les trous noirs de Kerr tournent; ils conservent l'élan angulaire de l'étoile pré-supernova dont ils sont nés. Ceci est extrêmement important sur le plan astrophysique, car nous savons que presque tous les objets célestes tournent, des lunes aux planètes en passant par les galaxies. Il est donc naturel de s'attendre à ce que les trous noirs tournent également.

Les preuves de cette rotation montrent comment le trou noir attire tout autour de l'horizon, balayant essentiellement l'espace-temps lui-même dans un vortex tourbillonnant. Cela permet au gaz de se déplacer de plus en plus vite alors qu'il se rapproche de plus en plus de l'horizon, entraînant des décalages Doppler plus extrêmes, et donc des décalages plus importants dans les spectres de rayons X. Au cours des dernières années seulement depuis le lancement du télescope à rayons X NuSTAR de la NASA, nous avons pu utiliser ces spectres pour mesurer les spins de plusieurs trous noirs avec une précision sans précédent. La capacité de NuSTAR à voir des rayons X couvrant une gamme beaucoup plus large d'énergies par rapport aux missions précédentes nous permet également d'exclure d'autres modèles alternatifs - comme l'absorption des rayons X par les nuages ​​de gaz interstellaires - qui avaient été proposés pour expliquer la forme du spectre.

La mesure des spins des trous noirs nous apprend non seulement sur la relativité générale, mais elle fournit également un aperçu important de la façon dont les étoiles massives évoluent et s'effondrent dans les supernovae. Parce que beaucoup de ces systèmes binaires sont assez jeunes (au moins selon les normes cosmiques - le Cyg X-1 n'a «que» quelques millions d'années), quel que soit le spin que nous mesurons aujourd'hui, c'est essentiellement le même spin qui provenait de la formation d'origine. De ce point de vue, ce sont vraiment des «étoiles figées» qui gardent un souvenir presque parfait de leur naissance violente.

Un héritage scandaleux

La relativité générale est l'un des rares domaines de la physique moderne où la théorie a conduit l'expérimentation pendant presque tout le siècle. Einstein avait un talent unique pour proposer non seulement des expériences de pensée brillantes et fructueuses, mais aussi de vraies expériences qui pourraient tester ses théories. Peut-être que sa prédiction la plus célèbre était de savoir comment la gravité du soleil détournerait la lumière des étoiles lointaines, un effet confirmé avec un succès spectaculaire en 1919 lors d'une éclipse solaire, propulsant Einstein à la célébrité internationale. Plus impressionnant encore était les 40 ans et plus entre la prédiction (involontaire) de trous noirs de Schwarzschild et la découverte de Cyg X-1.

Pour emprunter une phrase du physicien théoricien Kip Thorne, l'élément le plus scandaleux de l'héritage d'Einstein a peut-être été sa prédiction des ondes gravitationnelles, faite il y a un siècle, et triomphalement confirmée cette année par le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO). En plus de confirmer l'idée de base que le «tissu» de l'espace-temps n'est pas seulement une métaphore mais une substance tangible, la découverte LIGO a également fourni un nouveau test de relativité générale dans l'environnement le plus extrême - juste à l'extérieur d'un trou noir. Il y avait aussi quelques surprises en réserve: la découverte de trous noirs de masse stellaire 30 fois la masse du Soleil, deux fois plus gros que jamais auparavant. Pour la cerise sur le gâteau, LIGO a même pu mesurer la rotation du dernier trou noir à 70% de la limite maximale de Kerr,

Cette simulation donne une représentation réaliste d'un disque d'accrétion noir, y compris les effets
de flexion de la lumière  de la relativité. 

NASA / Jeremy Schnittman

S'appuyant sur ces antécédents de succès sans précédent, la plupart des astrophysiciens croient pleinement que la description par la relativité générale de la nature des trous noirs est la bonne. Les questions persistantes tentent d'utiliser nos connaissances des trous noirs pour améliorer notre compréhension du comportement du gaz, des champs magnétiques et des rayons X en présence d'une force gravitationnelle aussi énorme. Il s'agit de la partie désordonnée de la recherche sur les trous noirs - l'astronome Royal Martin Rees l'a décrite comme une «lutte contre la boue» - et où l'observation a été bien en avance sur la théorie pendant des décennies.

Le premier puzzle est venu juste après la première détection du Cyg X-1. En 1973, à partir des lois les plus élémentaires de la conservation de l'énergie et du moment angulaire, Igor Novikov et Kip Thorne ont dérivé une description brillante et élégante de la façon dont le gaz s'enroule lentement vers un trou noir, libérant son énergie potentielle gravitationnelle sous forme de chaleur et de rayonnement à des températures de des millions de degrés.

Il n'y a que deux problèmes avec le modèle Novikov-Thorne: il ne fonctionne pas en théorie et il ne fonctionne pas en pratique. Cela ne fonctionne pas en théorie, car il n'explique pas exactement comment le gaz perd son élan angulaire. Cela ne fonctionne pas dans la pratique car il n'est pas d'accord avec les observations de rayons X à haute énergie provenant de gaz à un milliard de degrés.

Le gaz ionisé chaud ne subit presque pas de frottement ou de viscosité, il devrait donc simplement tourner autour et sur des orbites parfaitement circulaires pour toujours, sans jamais se rapprocher de l'horizon des événements. Novikov et Thorne ont pleinement apprécié ce problème, et ils l'ont absorbé dans leur théorie avec un simple facteur de fudge, laissant les détails à un travail ultérieur. Au final, il a fallu près de 20 ans pour trouver la réponse. En 1991, Steve Balbus et John Hawley ont découvert une puissante instabilité qui provient de la torsion et de la traction de lignes de champ magnétique intégrées dans un disque d'accrétion. Le gaz ionisé est un excellent conducteur électrique, ce qui signifie qu'il peut également générer de puissants champs magnétiques. Ces champs, à leur tour, peuvent tirer sur le gaz, le ralentissant et lui permettant de s'enrouler en spirale vers le trou noir.

En 2001, les superordinateurs étaient devenus suffisamment puissants pour simuler adéquatement l'instabilité de Balbus-Hawley dans les disques d'accrétion autour de trous noirs réalistes, confirmant pleinement leurs prédictions. Il a fallu encore une décennie avant que les simulations soient suffisamment sophistiquées pour inclure les effets du rayonnement et étudier l'interaction entre le disque et la couronne. Ce faisant, nous avons enfin atteint le point où, à partir des lois les plus fondamentales de la nature, nous pouvons expliquer comment les rayons X à haute énergie, vus pour la première fois en 1971, sont réellement générés autour de vrais trous noirs.

En 100 ans exactement, les trous noirs sont passés d'une curiosité mathématique, au sujet de la physique purement théorique, à un domaine central de la recherche en astronomie, où la théorie et les simulations informatiques confrontent quotidiennement les expériences et les observations. Avec l'ouverture récente de la fenêtre des ondes gravitationnelles sur l'univers, dans les années à venir, nous nous attendons à en savoir encore plus sur la naissance, la vie et la mort de ces objets remarquables. Une chose que nous pouvons dire avec certitude: nous continuerons d'être surpris par l'imagination exotique de la nature!

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