Une étoile géante rouge a survécu à un trou noir en devenant naine blanche

L'observation des émissions de rayons X par les trous noirs permet bien souvent de découvrir ce qu'il se passe dans leur voisinage. Celles associées au trou noir supermassif de la galaxie GSN 069 sont remarquablement quasi-périodiques, ce qui suggère la présence d'une naine blanche, reste d'une géante rouge, qui survit aux forces de marée du trou noir.

Avec la détection sur Terre des ondes gravitationnelles, les observations de l'Event Horizon Telescope et celles de la mission Planck, l'astrophysique et la cosmologie relativiste sont plus importantes que jamais pour décrire notre univers observable. C'est une belle revanche des pionniers du début des années 1960, tel Kip Thorne, qui ont dû aller à contrecourant du paradigme de l'époque, reléguant les étoiles relativistes solutions des équations de la relativité générale et les univers en expansion de type Big Bang comme de simples curiosités mathématiques, sans véritable signification physique, surtout lorsqu'il s'agissait de prendre au sérieux ce que nous appelons des trous noirs.

Presque 60 ans plus tard, les choses ont bien changé et aujourd'hui, les études sur les trous noirs supermassifs au cœur des galaxies sont courantes depuis déjà quelques décennies grâce à l'essor de l'astronomie X avec des instruments dans l'espace comme Chandra et XMM Newton, respectivement de la Nasa et de l'ESA, rejoints récemment par Spektr-RG, le Hubble des rayons X russe de Pockocmoc.

Les yeux dont s'est doté l'humanité permettent notamment de mettre en évidence et d'étudier un scénario examiné en mars 1982 par Jean-Pierre Luminet et Brandon Carter dans un article publié dans le journal Nature. Ils y montraient qu'une étoile pénétrant dans la zone définie par le rayon de marée d'un trou noir supermassif devait d'abord être aplatie comme une crêpe par les forces de marée, puis dans un second temps, du fait de ces forces, être le lieu de l'allumage de réactions thermonucléaires tellement violentes qu'elles conduisaient à une détonation capable de disloquer l'étoile.

Présenté par Hubert Reeves et Jean-Pierre Luminet, Du Big bang au vivant est un projet TV-Web-cinéma qui couvre les plus récentes découvertes dans le domaine de la cosmologie. © Dubigbangauvivant, YouTube

Des flashs quasi périodiques de rayons X dans un disque d'accrétion

Il semble toutefois que ce scénario, déjà observé, ne s'applique pas toujours si l'on en croit une publication d'Andrew King de l'université de Leicester au Royaume-Uni. Le chercheur y explique en effet, dans l'article à consulter sur arXiv, qu'une étoile, en orbite autour du trou noir super massif au cœur de la galaxie GSN 069, a échappé au destin qui aurait dû la transformer en crêpe stellaire juste avant de mourir.

Cela fait déjà quelque temps que les astrophysiciens avaient repéré des flashs quasi-périodiques de rayons X toutes les 9 heures environ au centre de GSN 069 avec le satellite XMM Newton. Cette galaxie est située à environ 250 millions d'années-lumière de la Voie lactée et on a de bonnes raisons de penser que ces flashs qui voient les émissions de rayons X multipliées par 100 se produisent à proximité d'un trou noir supermassif léger de seulement 400.000 masses solaires, pas loin de la limite qui en ferait un trou noir de masse intermédiaire -- rappelons que le trou noir supermassif de notre Galaxie contient 4 millions de masses solaires.

Les observations de XMM Newton ont été confirmées par Chandra et selon Andrew King ; une bonne façon de les interpréter serait la suivante. Au départ, une étoile en phase géante rouge se serait approchée si près du trou noir géant de GSN 069 que les forces de marée qu'elle a commencées à subir sont devenues capables de lui arracher de la matière de ses couches supérieures dilatées. L'étoile étant sur une orbite particulièrement elliptique, c'est au moment où elle est au plus proche de l'astre compact que ce phénomène se produirait.

Il aurait finalement mis à nu le cœur de la géante rouge qui est dans un état où la matière est devenue « dégénérée », comme on dit en physique quantique, c'est-à-dire que ce qui reste de l'étoile est tout simplement une naine blanche. Le transfert de masse continuerait toutes les 9 heures environ et il se produirait dans le disque d'accrétion entourant le trou noir super massif, toutes les fois que la naine blanche est au plus près, mais pas encore à moins 15 fois le rayon de l'horizon des événements du trou noir selon les estimations d'Andrew King. Au-delà, le trou noir avalerait l'étoile.

C'est à l'occasion de ce transfert de matière périodique dans le disque d'accrétion que les flashs de lumière X seraient produits.

Une présentation de la découverte faite avec le trou noir de GSN 069. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Chandra X-ray Observatory

Une population cachée d'étoiles autour des trous noirs supermassifs ?

Cette situation va se prolonger mais, sous l'effet des ondes gravitationnelles émises par la naine blanche et du fait de ses pertes de masses, son orbite va tendre à se circulariser tout en augmentant de rayon, de sorte que les pertes de masses de l'étoile vont aller en diminuant (la naine blanche contiendrait actuellement 0,21 masse solaire).

« Elle s'efforcera de s'échapper, mais il n'y a pas d'échappatoire. Le trou noir la mangera de plus en plus lentement, mais ne s'arrêtera jamais », précise King, tout en ajoutant qu'« en principe, cette perte de masse se poursuivra jusqu'à ce que et même après que la naine blanche ait vu sa masse diminuer jusqu'à atteindre celle de Jupiter, dans environ un milliard d'années. Ce serait un moyen remarquablement lent et alambiqué pour que l'univers fasse une planète ! ». En effet, en se refroidissant, une naine blanche cristallise.

Pour le chercheur, les flashs de rayons X ne sont suffisamment intenses pour pouvoir être détectés par nos instruments que pendant une période d'environ 2.000 ans. C'est très court à l'échelle de temps du cosmos, de sorte que pour avoir eu la chance de le surprendre, ce type de scénario doit être très fréquent autour des trous noirs supermassifs.

Andrew King estime enfin que l'étoile est suffisamment proche pour qu'un effet de précession de Schwarzschild se produise, effet que l'on pourra peut-être observé dans un futur proche si son scénario est correct.

Trou noir supermassif : Gravity observe enfin la précession de Schwarzschild

Les astronomes observent depuis 27 ans, notamment avec les instruments du VLT de l'ESO, les mouvements d'une étoile proche du trou noir supermassif de la Voie lactée. Baptisée S2, cette étoile vient de fournir un nouveau test de la relativité générale en permettant la première mise en évidence de précession de Schwarzschild avec un trou noir supermassif.

Il y a presque cinq ans déjà on fêtait le centenaire de la découverte de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Depuis des décennies on cherche à la réfuter au profit d'autres théories de la gravitation qui, si elles conservent bien l'espace-temps courbe d'Einstein, utilisent d'autres équations pour gouverner la métrique du champ de gravitation et introduisent éventuellement des champs supplémentaires, souvent scalaires comme celui associé au fameux boson de Brout-Englert-Higgs.

Une des stratégies pour tenter de départager ces théories concurrentes est d'étudier ce qu'elles prédisent en ce qui concerne le mouvement des corps célestes et le comportement des ondes électromagnétiques, via leurs fréquences et les trajectoires des rayons lumineux associées dans un champ de gravitation. Pour cela, il faut trouver une solution des équations de la gravitation qui décrivent l'espace-temps autour d'un corps céleste comme, par exemple, le Soleil. Dans le cas de la théorie d'Einstein une telle solution a été trouvée pour décrire une étoile sans rotation et rigoureusement sphérique, ou pour le moins qui peut être en pratique considérée comme telle à une bonne approximation dans la situation étudiée.

Il s'agit de la fameuse solution de Schwarzschild, laquelle s'est trouvée décrire également dans sa version complète un trou noir et cette fois rigoureusement. Or, il se trouve que nous connaissons l'existence d'un trou noir supermassif contenant environ 4 millions de masses solaires au cœur de la Voie lactée. Nous avons donc à notre disposition un excellent laboratoire pour tester la théorie de la relativité générale ainsi que la théorie des trous noirs. Des chercheurs s'y emploient depuis des décennies en étudiant notamment le mouvement des étoiles autour de ce trou noir associé à une source radio et que l'on appelle Sgr A*. En attendant ses premières images que devraient fournir les membres de la collaboration Event Horizon Telescope, Reinhard Genzel, directeur de l'Institut Max-Planck dédié à la Physique extraterrestre (MPE) à Garching en Allemagne, vient de publier un article dans Astronomy & Astrophysics, disponible sur arXiv, dans lequel il expose avec ses collègues les derniers résultats des études concernant Sgr A* qu'il poursuit depuis presque 30 ans, avec notamment les instruments du Very Large Telescope (VLT) de l'ESO.

La première mesure de la précession de Schwarzschild pour un trou noir

En l'occurrence, il s'agit toujours de mesures faites avec celui nommé Gravity et dont Futura avait déjà rendu compte dans les articles précédents ci-dessous. Dans un communiqué de l'ESO, Reinhard Genzel présente les résultats en ces termes : « La théorie de la Relativité Générale d'Einstein prévoit que les orbites liées d'un objet autour d'un autre ne sont pas fermées - contrairement à ce que prédit la théorie de la Gravitation Newtonienne, mais précessent vers l'avant dans le plan du mouvement. Ce fameux effet - observé pour la première fois dans l'orbite que décrit la planète Mercure autour du Soleil - constitua la toute première preuve de la validité de la théorie de la Relativité Générale. Une centaine d'années plus tard, nous venons de déceler la même caractéristique au sein du mouvement d'une étoile en orbite autour de la source radio compacte Sagittarius A*, située au centre de la Voie lactée. Ce résultat observationnel renforce l'idée selon laquelle Sagittarius A* constitue un trou noir supermassif dont la masse avoisine les 4 millions de masses solaires. ».

L'étoile dont parle Reinhard Genzel est célèbre sous le nom de S2. Elle est située à 26.000 années-lumière du Système solaire et elle boucle en 16 ans son orbite autour du trou noir supermassif de la Voie lactée. Selon les lois de Kepler, elle se déplace sur une orbite elliptique, qui précesse du fait des équations de la relativité générale, et sa vitesse est la plus importante lorsqu'elle passe au plus près du trou noir à une distance inférieure à quelque 20 milliards de kilomètres, ce qui représente 120 fois la distance Terre-Soleil. Cette vitesse est alors vertigineuse car elle est de l'ordre de 3 % de la vitesse de la lumière.

Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © European Southern Observatory (ESO)

Bientôt une mesure de la rotation du trou noir Sgr A* ?

Les astronomes mesurent les mouvements de S2 depuis 27 ans, ce qui veut dire qu'ils l'ont vu amorcer une seconde orbite autour de Sgr A* et qu'ils peuvent donc effectivement observer l'effet qu'ils appellent la précession de Schwarzschild et ce pour la première fois pour une étoile en orbite autour d'un trou noir supermassif. Mais il y a mieux, comme l'expliquent toujours dans un communiqué de l'ESO Guy Perrin et Karine Perraut, les astronomes français responsables du projet dans le cadre d'une équipe internationale dirigée par Franck Einsenhauer du MPE et qui a permis d'obtenir ce résultat spectaculaire : « Les mesures effectuées sur S2 sont en accord si parfait avec la théorie de la Relativité Générale que nous pouvons estimer la quantité de matière invisible, telle la distribution de matière noire ou l'éventuelle présence de trous noirs de taille inférieure, autour de Sagittarius A*. Ce champ d'investigation présente un intérêt certain pour notre compréhension de la formation et de l'évolution des trous noirs supermassifs. ».

Paulo Garcia, chercheur au Centre d'astrophysique et de gravitation du Portugal, un autre des responsables scientifiques du projet, rappelle un résultat déjà obtenu et dont Futura avait rendu compte dans l'un des articles ci-dessous : « Notre précédent résultat a montré que la lumière émise par l'étoile subit l'effet de la Relativité Générale. À présent, nous démontrons que l'étoile elle-même ressent les effets de la Relativité Générale. ».

Dans un futur proche, les chercheurs s'attendent à aller encore plus loin en débusquant des étoiles moins lumineuses et plus proches de l'horizon des événements de Sgr A*. Cela devrait être possible avec l'Extremely Large Telescope de l'ESO et on devrait avoir accès à des effets relativistes produits par la rotation du trou noir, effet découlant d'une autre solution des équations d'Einstein, celle découverte en 1963 par le mathématicien Roy Kerr et qui porte son nom. Non seulement on aurait alors accès à une nouvelle estimation de la masse du trou noir mais aussi, et pour la première fois, à la valeur de son moment cinétique si l'astre compact est bien en rotation, ce qui est très crédible.

Hubble observe un gigantesque tsunami d'énergie produit par un quasar

Hubble a permis d'estimer la vitesse et surtout la puissance des vents de matière soufflés par le rayonnement des quasars. Ces trous noirs supermassifs sont bel et bien en mesure d'affecter, tels des tsunamis, la matière interstellaire à l'échelle des galaxies.

Comme l'explique Jean-Pierre Luminet dans la vidéo ci-dessous, c'est à partir de 1963 lorsque Maarten Schmidt, un astronome néerlandais, a fait l'analyse spectrale d'un astre, la contrepartie dans le visible d'une source radio puissante nommée 3C 273, que l'on a fait la découverte des quasi-stellar radio sources, des quasars selon la dénomination proposée en 1964 par l'astrophysicien d'origine chinoise Hong-Yee Chiu. 3C 273 se présentait comme une étoile mais elle se trouvait à plus de 2,4 milliards d'années-lumière de la Voie lactée, ce qui veut dire que pour être observable à une telle distance proprement cosmologique, elle devait être d'une luminosité absolument prodigieuse, dépassant les 5 millions de millions de fois celle du Soleil, ou présenté d'une autre façon était équivalente à celle de 1.000 fois les centaines de milliards d'étoiles de notre Voie lactée !

Toujours comme l'explique Jean-Pierre Luminet, nous savons que ces quasars sont des exemples de ce que l'on appelle des noyaux actifs de galaxies, (Active Galactic Nuclei ou AGN, en anglais) qui ne sont pas forcément aussi lumineux que les quasars. Et nous avons toutes les raisons de penser que leur prodigieuse énergie provient de l'accrétion de la matière par des trous noirs supermassifs de Kerr en rotation, pouvant contenir des milliards de masses solaires comme M87*, récemment imagé par les membres de la collaboration Event Horizon Telescope.

Aujourd'hui, une série de six publications, également accessible sur arXiv, fait état de mesures stupéfiantes concernant ces quasars et qui ont été obtenues grâce au télescope Hubble et à sa capacité de voir dans l'ultraviolet. Les astrophysiciens ont ainsi découvert des débits les plus énergétiques jamais vus dans l'Univers observable et parlent même, à leur sujet, de véritables tsunamis cosmiques.

Dans cet extrait de la plateforme TV-Web-cinéma « Du Big Bang au Vivant », qui couvre des découvertes dans le domaine de l'astrophysique et de la cosmologie, Jean-Pierre Luminet nous parle des quasars. © Jean-Pierre Luminet

Les chercheurs ont mesuré via l'effet Doppler les vitesses des vents de matière produites par la pression du rayonnement des quasars sur le gaz interstellaire dans des galaxies. On connaît cet effet, bien plus modeste, produit par une partie du vent solaire sur la queue des comètes dans le Système solaire. Mais ici, le souffle des quasars accélère de la matière à quelques pourcents de la vitesse de la lumière !

Des centaines de masses solaires de gaz éjectés chaque année

L'astrophysicien Nahum Arav de Virginia Tech à Blacksburg, en Virginie (États-Unis) explique de plus que « Les vents poussent des centaines de masses solaires de matériaux chaque année. La quantité d'énergie mécanique que ces flux transportent est jusqu'à plusieurs centaines de fois supérieure à la luminosité de toute la Voie lactée » et le chercheur d'ajouter dans un communiqué de la Nasa : « Aucun autre phénomène ne transporte plus d'énergie mécanique. Au cours d'une durée de vie de 10 millions d'années, ces éjections de matière produisent un million de fois plus d'énergie qu'un sursaut gamma ».

Cette découverte ne fait que confirmer ce dont on se doutait depuis un moment. En effet, le souffle des quasars peut être tel que non seulement il bloque sa propre alimentation en gaz, très probablement sous la forme des filaments froids que l'on commence à voir, mais il peut aussi vider une galaxie du gaz qui lui sert à former de nouvelles étoiles. Cela contribue à jeter de la lumière sur la relation de coévolution que l'on constate avec la proportionnalité entre la masse d'une galaxie et celle du trou noir supermassif qu'elle abrite, et explique aussi pourquoi bien des galaxies ont cessé de former des étoiles en quelques milliards d'années seulement, faute de matière pour cela. Hubble montre en effet que le rayonnement des quasars pousse le gaz et la poussière interstellaire à des distances bien plus grandes que ce que les astrophysiciens pensaient auparavant, tout simplement à l'échelle d'une galaxie. Le souffle des supernovae n'est donc pas le seul mécanisme capable de « tuer » une galaxie en la vidant de son gaz.

« Les théoriciens et les observateurs savaient depuis des décennies qu'il existe un processus physique qui empêche la formation d'étoiles dans les galaxies massives, mais la nature de ce processus restait un mystère. Mettre les débits observés dans nos simulations résout ces problèmes en suspens de l'évolution galactique », explique l'éminent cosmologiste Jeremiah P. Ostriker de l'université Columbia à New York et également collègue du prix Nobel James Peebles à l'université Princeton dans le New Jersey.

Source: https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/quasar-hubble-observe-gigantesque-tsunami-energie-produit-quasar-80148/?fbclid=IwAR2NwHG1b_r7tmDxLd3J2OW-38sGutW-Tu9xcqJjZUY216td27VpHP5wutM#utm_content=futura&utm_medium=social&utm_source=facebook.com&utm_campaign=futura

Aidez les astronomes à percer les secrets des trous noirs supermassifs

Vous avez toujours rêvé d'aider à découvrir des trous noirs et à percer leurs mystères ? Il y a quelques années, c'était déjà possible en aidant les astrophysiciens à chasser les trous noirs supermassifs dans les données collectées par les radiotélescopes du VLA. La chasse continue aujourd'hui avec l'aide d'un autre réseau de radiotélescopes et un nouveau programme de science participative au niveau mondial. Coordonné en France par l'Observatoire de Paris - PSL, le CNRS et l'université d'Orléans, vous pouvez vous inscrire sur le site Radio Galaxy Zoo: Lofar.

Interstellar et l'image du trou noir M87* révélée par la collaboration de l’Event Horizon Telescope vous ont fasciné. Vous aussi vous auriez envie de prendre part à l'une des plus grandes aventures entreprises par la noosphère du géochimiste Vladimir Vernadsky et du géologue et paléontologue Pierre Teilhard de Chardin, l'esprit collectif en quelque sorte des Homo sapiens, découvrir les mystères des trous noirs supermassifs et leur rôle dans l'évolution des galaxies, évolution dont on sait que dans la Voie lactée elle a débouché sur l'existence d'exoplanètes et d'au moins une biosphère, celle de la Terre.

Comme le prophétisait dès les années 1960 Arthur Clarke, lors d'une émission de la BBC, les progrès des télécommunications et de l'informatique ont non seulement aidé cette noosphère à développer une conscience et une culture planétaires, mais l'essor depuis plus de 30 ans d’Internet permet aussi à quiconque possède un ordinateur d'aider la communauté scientifique à faire des découvertes sans posséder de formation scientifique. Depuis quelques années déjà, comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous, il était donc possible d'aider les astrophysiciens à débusquer des trous noirs supermassifs en se connectant en ligne à Radio Galaxy Zoo dans le cadre du célèbre Zooniverse. Ce portail de science citoyenne bien connu est une extension du projet original Galaxy Zoo qui invitait les internautes à classer les galaxies.

Une présentation de Lofar. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © WebsEdgeEducation

Lofar et les trous noirs supermassifs

Cette quête vient de recevoir une nouvelle impulsion grâce au plus grand radiotélescope jamais construit, en réalité un réseau de milliers de petits radiotélescopes, et qui a été baptisé Lofar (Low Frequency Array). Ce radiotélescope est exploité par l'Institut néerlandais de radioastronomie (Astron) qui coordonne des prises de données par des instruments répartis en Europe. La partie française de Lofar étant, sans surprise, installée à Nançay, dans le Cher, au sein de la célèbre et ancienne station de radioastronomie de l'Observatoire de Paris (Observatoire de Paris - PSL/CNRS /Université d'Orléans). Astron utilise donc une technique de synthèse d'ouverture par interférométrie qui, dans le cas présent, permet de combiner les signaux des différentes antennes pour créer un radiotélescope géant virtuel, dont la taille peut atteindre l'équivalent de 15.000 terrains de football.

Un nouveau programme de science participative concernant les trous noirs supermassifs a donc été lancé, toujours en ligne et sous le nom de Lofar Radio Galaxy Zoo. Il s'agit, à nouveau, pour les internautes de regarder et analyser des images de sources radio parmi les quatre millions de sources déjà découvertes avec Lofar pour aider à les associer à des galaxies vues par des télescopes observant à d'autres longueurs d'onde, par exemple dans le visible. On peut se faire une idée de ce dont il est question avec les images ci-dessous.

Voici une image dans le visible d'une zone de la voûte céleste montrant de nombreuses étoiles et galaxies. © Lofar Radio Galaxy Zoo, Observatoire de Paris - PSL 

Un exemple de sources radio détectées avec ses jets de matière, 3C236, vue par Lofar dans la région précédente. © Lofar Radio Galaxy Zoo, Observatoire de Paris - PSL 

La galaxie qui héberge le trou noir à l’origine des jets radio a été identifiée grâce à la superposition des deux images, 3C236 est une radio-galaxie de type Fanaroff et Riley et de classe II (FR II). C'est l'une des plus grandes radio-galaxies connues, avec une structure radio ayant une taille linéaire totale supérieure à 15 millions d'années-lumière. © Lofar Radio Galaxy Zoo, Observatoire de Paris - PSL 

Lofar et les jets de matière des trous noirs

Les jets de matière, que l'on observe bien dans le domaine radio, étudiés avec Lofar sont les produits de ce que les astrophysiciens appellent des noyaux actifs de galaxies, notamment des quasars. Tout indique qu'ils sont en liaison directe avec l'accrétion d'importantes quantités de matière par un trou noir de Kerr en rotation, contenant de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires.

Ces jets sont donc liés à la croissance des trous noirs supermassifs, laquelle est liée à celle des galaxies. Or, on ne comprend pas aussi bien qu'on le voudrait cette croissance conjointe et encore moins l'origine de ces trous noirs géants. En multipliant les observations concernant ces jets et ces noyaux actifs de galaxies, on peut espérer avoir de nouvelles clés pour résoudre ces énigmes.

Sur le site de Lofar Radio Galaxy Zoo, les astronomes expliquent en ces termes pourquoi ils ont besoin des internautes de la noosphère :

« Lofar a réalisé des images de centaines de milliers de ces jets et galaxies, identifiés par un programme informatique automatique. Malheureusement, ce programme n'est pas parfait et parfois il divise une seule source radio en plusieurs composants séparés. Les radioastronomes ont besoin de votre aide pour associer les composants que le programme de recherche de source a séparés par erreur. Cela nous permettra de reconstruire les sources radio complètes à partir de leurs composants séparés.

Les astronomes sont également intéressés à identifier la galaxie qui alimente l'émission radio. Ces galaxies peuvent être vues à des longueurs d'onde visibles et fournissent des données supplémentaires pour aider les astronomes à déterminer, par exemple, la distance jusqu'à la source observée. »

Le projet Lofar Radio Galaxy Zoo est disponible en sept langues dont le français sur ce site et il existe aussi un didacticiel en français pour prendre part à cette grande aventure. Lancez-vous !

Vidéo du didacticiel « Radio Galaxy Zoo: LOFAR ». © Lofar GalaxyZoo

Source: https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/trou-noir-aidez-astronomes-percer-secrets-trous-noirs-supermassifs-51108/?fbclid=IwAR1tuh7aDNm6JDi8QUcShuevndp2fEhlQHxYG-jl2lrhCpqYZDpuKsetZjY#utm_content=futura&utm_medium=social&utm_source=facebook.com&utm_campaign=futura

C'est la plus puissante explosion observée dans l'Univers depuis le Big Bang !

Le Big Bang n'est pas une explosion au sens rigoureux du terme mais à ce jour, si on veut parler de colossales libérations d'énergie brutales, les éruptions associées aux disques d'accrétion des trous noirs supermassifs sont très probablement les plus importantes depuis la fin du Big Bang. On vient de débusquer la plus puissante connue dans l'Univers observable, des centaines de milliers de fois plus que celles ordinairement observées avec ces astres dans des amas de galaxies.

En 1963 lorsque Maarten Schmidt, un astronome néerlandais, a fait l'analyse spectrale d'un astre, la contrepartie dans le visible d'une source radio puissante nommée 3C 273, il a stupéfié ses collègues. L'objet astronomique se présentait comme une étoile mais il se trouvait à plus de 2,4 milliards d'années-lumière de la Voie lactée, ce qui veut dire que pour être observable à une telle distance proprement cosmologique, il devait être d'une luminosité absolument prodigieuse tout en étant très compact, au point de ressembler à une étoile dans un télescope. Toute mesure faite, elle dépassait les 5 millions de millions de fois celle du Soleil, ou présenté d'une autre façon était équivalente à celle de 1.000 fois notre Galaxie !

D'autres quasi-stellar radio sources, des quasars selon la dénomination proposée en 1964 par l'astrophysicien d'origine chinoise Hong-Yee Chiu n'allaient pas tarder à être découverts. On en connaît aujourd'hui plus de 200.000 et nous avons toutes les raisons de penser que leur prodigieuse énergie provient de l'accrétion de la matière par des trous noirs supermassifs de Kerr en rotation, pouvant contenir des milliards de masses solaires comme M87*, récemment imagé par les membres de la collaboration Event Horizon Telescope.

Des jets de matière et des disques d'accrétion chauds avec du plasma

Ces trous noirs sont en fait présents dans la très grande majorité des grandes galaxies et ils sont à l'origine plus généralement de ce que l'on appelle des noyaux actifs de galaxies, (Active Galactic Nuclei ou AGN, en anglais) qui ne sont pas forcément aussi lumineux que les quasars, tout dépendant de la quantité de matière accrétée par les trous noirs. Le taux de conversion de l'énergie gravitationnelle en énergie lumineuse de la matière, chutant en direction d'un trou noir dans le disque d'accrétion qui est chauffé par les forces de frottement entre les parties de ce disque, est supérieur à celui des réactions de fusion thermonucléaire dans les étoiles, ce qui contribue à expliquer le rayonnement spectaculaire des quasars.

Une présentation de la découverte des traces d'une gigantesque éruption causée par le trou noir supermassif de la grande galaxie au cœur de l’amas d’Ophiucus. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Chandra X-ray Observatory

Une partie de la matière accrétée dans un disque autour d'un trou noir supermassif ne disparaît pas derrière son horizon des événements et elle est éjectée sous forme de jets de particules très puissants. L'environnement proche d'un tel trou noir est un plasma et il peut se produire différentes instabilités dans le disque d'accrétion et son alimentation en matière, conduisant à l'équivalent des éruptions solaires. On peut donc associer aussi à des trous noirs supermassifs des éruptions brusques et transitoires mais qui sont bien plus colossales. Dans le précédent article ci-dessous, Futura vous avait parlé des traces laissées dans un amas de galaxies par une de ces éruptions dont l'énergie libérée était une centaine de milliards de milliards de milliards de milliards de fois celle d'une bombe atomique.

On connaissait d'autres exemples d'éruptions encore plus puissantes dans des amas et aujourd'hui un groupe d'astrophysiciens ayant utilisé dans le domaine des rayons X les télescopes Chandra de la Nasa, XMM Newton de l'ESA dans l'espace en combinaison avec des observations au sol des radiotélescopes Murchison Widefield Array (MWA) en Australie et Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) en Inde, fait savoir qu'ils ont débusqué les traces de la plus grosse éruption de trou noir supermassif connue à ce jour.

Une éruption libérant des centaines de milliers de fois plus d'énergie

Comme l'expliquent des chercheurs, comme Simona Giacintucci dans l'article publié exposant cette découverte dans The Astrophysical Journal et disponible en accès libre sur arXiv, c'est à 390 millions d'années-lumière de la Voie lactée en direction de la constellation d'Ophiucus que se trouve dans un amas galactique connu sous le même nom le trou noir supermassif à l'origine d'une éruption cinq fois plus puissante que le record détenu jusque-là par celui contenu dans l'amas galactique MS 0735.6+7421, cette fois-ci à 2,6 milliards d'années-lumière de la Voie lactée.

Les astrophysiciens se doutaient de quelque chose de ce genre depuis 2016 et il apparaît clairement aujourd'hui que les instruments ont mis en évidence une bulle creusée dans le gaz intergalactique de l'amas d'Ophiucus par un jet de trou noir supermassif particulièrement puissant temporairement, comme l'explique la vidéo ci-dessus. Simona Giacintucci donne une analogie pour se faire une idée intuitive de ce qui s'est produit : « À certains égards, cette explosion ressemble à la façon dont l'éruption du mont St. Helens en 1980 a arraché le sommet de la montagne. Une différence clé est que vous pourriez insérer quinze galaxies de la taille de la Voie lactée d'affilée dans le "cratère" que cette éruption a creusé dans le gaz chaud de l'amas ».

Les bords de la cavité creusée dans la matière intergalactique de l'amas contiennent des électrons qui vont presque à la vitesse de la lumière et qui émettent des ondes dans le domaine radio, observées et mesurées par le MWA et le GMRT. L'éruption du trou noir supermassif semble terminée car Chandra ne révèle la présence d'aucun nouveau jet de matière. Les mesures de Chandra indiquent aussi que les régions les plus denses en gaz sont loin de la galaxie hébergeant le trou noir qui ne doit donc plus avoir beaucoup de matière à accréter, d'où l'absence de jets.

Les preuves de la plus grande éruption de trou noir supermassif observée dans l'Univers jusqu'ici proviennent d'une combinaison de données en rayons X (rose) de Chandra et XMM-Newton montrant le gaz chaud diffus qui pénètre dans l'amas d'Ophiucus, et de celles en radio (bleu) des radiotélescopes Murchison Widefield Array et Giant Metrewave Telescope. Les données infrarouges du relevé 2MASS sont montrées (en blanc). L'encadré en bas à droite montre une vue agrandie basée sur les données de Chandra, tandis que des points lumineux dispersés sur l'image reflètent la distribution des étoiles et des galaxies de premier plan. L'éruption est générée par un trou noir situé dans la galaxie centrale de l'amas, qui a produit des jets et creusé une grande cavité dans le gaz chaud environnant. Les chercheurs estiment que cette explosion a libéré cinq fois plus d'énergie que le précédent record connu et des centaines de milliers de fois plus qu'un amas de galaxies typique. © Rayon X: Chandra: Nasa/CXC/NRL/S. Giacintucci, et al., XMM: ESA/XMM ; Radio: NCRA/TIFR/GMRT ; Infrarouge: 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF