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L'Event Horizon Telescope, cet observatoire virtuel de la taille de la Terre, vient de fournir l'image de la base du jet qu'émet un trou noir supermassif, à un niveau de détail sans précédent.
Le quasar C 2279 vu par l'Event Horizon Telescope.
J.Y. KIM (MPIFR), BOSTON UNIVERSITY BLAZAR PROGRAM, AND THE EHT COLLABORATION
Jamais les astronomes n’avaient observé avec un tel niveau de détail le puissant jet de matière qu’émet un quasar, un de ces trous noirs supermassifs qui forment les noyaux des galaxies, montrant que la base de ce jet est plutôt instable, contrairement à ce que croyaient jusque-là les spécialistes. L’instrument qui a permis cet exploit est l’EHT, Event Horizon Telescope , un "observatoire virtuel" de la taille de la Terre qui rassemble pas moins de 8 radiotélescopes répartis à travers le globe et coordonnés en interférométrie à très longue base (VLBI), le même qui avait révélé la première vraie image d’un trou noir, celui de la galaxie M87, il y a tout juste un an.
Un jet supraluminique
Jae-young Kim de l’Institut de radioastronomie à Bonn (Allemagne) et ses nombreux collaborateurs (l’article publié dans la revue Astronomy & Astrophysic comporte 350 signataires !) ont surveillé plusieurs jours d’affilée au cours du mois d’avril 2017 le quasar 3C279. Celui-ci est un monstre d’un milliard de fois la masse du Soleil, situé à 5 milliards d’années-lumière de la Terre, en direction de la constellation de la Vierge. Il avait beaucoup fait parler de lui au milieu des années 1970 lorsque les astronomes avaient surpris son jet de matière qui semblait être éjecté à une vitesse supérieure à celle de la lumière. En réalité, ces jets "supraluminiques" ne sont pas en contradiction avec les lois de la physique, ils sont propulsés à des vitesses inférieures à celle de la lumière, mais à cause d'une illusion d'optique, ils semblent supraluminiques pour les observateurs terrestres.
Une pomme sur la Lune
Grâce à l’EHT, les chercheurs ont pu observer des détails de l'ordre d’une année-lumière sur cet objet situé à 5 milliards d’années-lumière. C’est comme pouvoir identifier depuis la Terre les contours d’une pomme posée sur la Lune ! Ce niveau de détail leur a permis de repérer qu’à la base de cette émission, le jet était instable, tordu, comme si des structures perpendiculaires venaient l’altérer. "C’est un peu comme si en ouvrant une série de poupées russes, nous découvrions que la plus petite avait une forme différente", a déclaré Jae-young Kim dans un communiqué de presse du EHT. En outre, les images consécutives montrent que le jet se déplace en notre direction à une vitesse atteignant 99,5% de la vitesse de la lumière.
Pour l’heure, la campagne de mars -avril 2020 de l’EHT a été stoppée à cause de la pandémie de Covid-19, de quoi offrir un peu de temps pour la compréhension de ces résultats.
Ci-dessous, voici comment le jet du quasar a évolué en une semaine :
Les trous noirs stellaires connus jusqu'ici dans la Voie lactée ne dépassaient pas la quinzaine de masses solaires, en accord avec les théories expliquant leur formation par effondrement gravitationnel d'une étoile lorsqu'elle devient une supernova. Les astrophysiciens ont donc été stupéfaits l'année dernière par la découverte d'un trou noir qui ne devrait pas exister car contenant environ 68 masses solaires. Mais cette estimation est remise en question aujourd'hui.
L'année dernière, l'annonce de l'estimation de la masse du trou noir LB-1 a surpris les astrophysiciens. Il fait partie d'un système binaire dont l'autre composante est une géante bleue de 8 masses solaires, une étoile de type B (plus précisément une étoile Be) cataloguée sous la dénomination de LS V+22 25 et qui se trouve à environ 15.000 années-lumière du Système solaire.
Cette masse, mais surtout la présence d'un autre astre associé à l'étoile bien visible, était déduite des mouvements de cette étoile provoquant une alternance de décalage vers le bleu puis vers le rouge par effet Doppler du spectre de l'étoile, décalage d'autant plus prononcé que ces mouvements sont rapides. C'est donc la même méthode, dite des vitesses radiales, que l'on utilise pour découvrir des exoplanètes et estimer leurs masses. Là aussi, plus l'exoplanète est massive pour une même distance à une étoile hôte d'une même masse donnée, plus elle va provoquer un mouvement de va-et-vient de son étoile du fait de l'attraction gravitationnelle mutuelle de ces astres (les planètes du Système solaire font aussi osciller le Soleil, ce qui permettrait à des E.T. de découvrir leur existence).
Dans le cas de LS V+22 25, la théorie de la structure stellaire nous permet d'estimer sa masse en tant qu'étoile de type B, en partie parce que cette masse est liée à sa température. On peut donc ensuite en tirer la masse de l'astre LB-1 qui, lui, ne semble pas rayonner, ce qui d'ailleurs conduit à adopter l'hypothèse qu'il est un trou noir. La masse obtenue était d'environ 68 masses solaires, aux incertitudes près des mesures. Or, une telle masse est bien trop élevée dans le cadre de ce que l'on sait en astrophysique.
LB-1 est un trou noir stellaire, ce qui veut dire que c'est le résidu d'une étoile qui a explosé en supernova en s'effondrant gravitationnellement. Les étoiles ont une masse qui ne peut guère dépasser les 100 masses solaires et la quantité de matière éjectée par le souffle de l'explosion d'une supernova est ordinairement très importante, de sorte que la masse de l'astre compact qui peut être laissé par cette explosion est difficilement et probablement très peu élevée. D'ailleurs, les masses des trous noirs stellaires précédemment découverts dans la Voie lactée sont toutes entre 5 et 15 masses solaires, comme Futura l'expliquait dans le précédent article au sujet de la découverte de LB-1 (voir ci-dessous).
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Qu'en déduire ? Que l'on s'est probablement trompé quelque part dans l'estimation de la masse de LB-1 comme le soutient, dans un article en accès libre sur arXiv mais publié dans Astronomy and Astrophysics, une équipe d'astrophysiciens des universités de Erlangen-Nürnberg et Potsdam en Allemagne.
Les chercheurs ont fait des analyses plus poussées des abondances des éléments chimiques dans l'atmosphère de l'étoile LS V+22 25 et ils ont découvert des anomalies en ce qui concerne les quantités présentes d'oxygène, d'azote, de carbone et surtout d'hélium. Ces anomalies suggèrent que cette étoile n'est en fait pas de type B sur la fameuse séquence principale.
Par contre, les mesures s'accordent bien avec un scénario dans lequel les couches supérieures constituées d'hydrogène de l'étoile auraient été arrachées par les forces de marée de l'astre, formant l'autre partie de l'étoile binaire, pour faire apparaître des couches constituées d'hélium produites par l'évolution de la nucléosynthèse stellaire. Sous cette hypothèse, la masse de LS V+22 25 est nettement plus faible, environ 1,1 masse solaire, ce qui veut dire que pour rendre compte de l'amplitude de ses mouvements oscillants, la masse de LB-1 doit être plus basse elle aussi.
Quelle estimation obtient-on alors ? De 2 à 3 masses solaires, ce qui est tout à fait acceptable et laisse même penser, compte tenu là aussi des incertitudes, que LB-1 pourrait même être... une étoile à neutrons !
CE QU'IL FAUT RETENIR
Les quelques trous noirs détectés dans la Voie lactée, à l'exception du trou noir supermassif central, sont supposés se former par l'effondrement d'une étoile lors de son explosion en supernova SN II.
Les masses observées et prédites théoriquement avec les scénarios standards de l'évolution stellaire étaient compatibles et comprises entre 5 et 15 masses solaires.
Mais un trou noir détecté dans un système binaire avec une étoile bleue posséderait environ 70 masses solaires, ce qui est pour le moment incompréhensible et nécessite de revoir nos idées sur la formation des trous noirs stellaires.
Mais, en réalité, ce trou n'existe peut-être pas, car l'estimation de la masse de l'astre appelé LB-1 résulterait d'une erreur de l'estimation sur la masse de l'étoile LS V+22 25.
POUR EN SAVOIR PLUS
Un trou noir de 68 masses solaires défie l'astrophysique
Les trous noirs stellaires connus jusqu'ici dans la Voie lactée ne dépassaient pas la quinzaine de masses solaires, en accord avec les théories expliquant leur formation par effondrement gravitationnel d'une étoile lorsqu'elle devient une supernova. Les astrophysiciens sont donc stupéfaits par la découverte d'un trou noir qui ne devrait pas exister puisqu'il contient environ 70 masses solaires.
Il y a 60 ans, la majorité des astrophysiciens et des physiciens relativistes ne prenaient pas au sérieux l'existence des étoiles effondrées gravitationnellement, issues des calculs de Robert Oppenheimer et ses collaborateurs à la fin des années 1930. Même John Wheeler, qui pourtant allait introduire à leur sujet le terme de « trou noir » et mener dans la décennie qui allait suivre les recherches sur ces astres compacts aux États-Unis, avait initialement des doutes. Mais tout comme son collègue russe Yakov Zeldovitch, des simulations sur ordinateurs conduites de part et d'autre de l'Atlantique allaient les faire changer d'avis.
Aujourd'hui, on a de bonnes raisons de penser qu'il existe au moins 100 millions de trous noirs stellaires dans la Voie lactée, donc issus de l'effondrement gravitationnel d'étoiles de plus de 8 masses solaires en fin de vie. En tout cas, c'est ce que nous dit la théorie de l'évolution stellaire et le fait qu'avec les progrès de l'astronomie X, depuis environ 50 ans, on a bel et bien détecté dans notre Galaxie des candidats au titre de trou noir stellaire. Il s'agit à chaque fois de la détection des émissions dans le domaine des rayons X d'un disque d'accrétion chaud entourant un astre compact dans un système binaire et alimenté en gaz par une étoile. Le premier trou noir de ce genre à être détecté est célèbre sous le nom de Cygnus X1.
On peut estimer la masse des trous noirs stellaires dans la Voie lactée, elle est ordinairement d'une dizaine de masses solaires (entre 5 et 15 pour être un peu plus précis), ce qui coïncide avec les estimations provenant des calculs décrivant la formation de ces trous noirs à partir d'une supernova. On comprend donc la surprise des astronomes qui viennent de publier un article dans le journal Nature faisant état de la découverte dans notre Galaxie d'un trou noir stellaire d'une masse estimée aux incertitudes près (+11/-13) à 68 masses solaires.
Un trou noir détecté avec la méthode des vitesses radiales
LB-1, c'est son nom, fait partie d'un système binaire dont l'autre composante est une géante bleue de 8 masses solaires et qui se trouve à environ 15.000 années-lumière du Système solaire comme l'expliquent, dans un article sur arXiv, les membres de l'équipe internationale qui a fait sa découverte. C'est le fruit d'une campagne d'observations effectuant des mesures spectroscopiques dans le but de faire l'équivalent des détections d'exoplanètes par la méthode des vitesses radiales.
Ces observations ont été obtenues initialement avec le Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopic Telescope (c'est-à-dire Télescope spectroscopique multi-objets à fibres optiques grand champ) ou télescope Guo Shoujing, en abrégé Lamost, un télescope optique chinois de quatre mètres de diamètre. Deux autres grands télescopes sont ensuite entrés dans la danse pour préciser les données obtenues par les astronomes chinois, à savoir le Gran Telescopio Canarias del Roque de los Muchachos Observatory (La Palma), le fameux Grantecan, et aussi ceux avec des miroirs de 10 mètres de diamètre de l'observatoire W. M. Keck sur le mont Mauna Kea de l'île d'Hawaï.
La période orbitale de LB-1 est d'environ 79 jours et bien que l'on ne voit pas directement dans le visible le trou noir, il signale tout de même sa présence par les oscillations de son étoile compagne, ce qui provoque des décalages spectraux par effet Doppler, comme dans le cas d'une exoplanète, par exemple une Jupiter chaude, autour de son étoile hôte. En fait, cette méthode de détection d'un trou noir (avec les mouvements d'une étoile, pas par effet Doppler) conçu comme un astre invisible avait déjà été envisagée il y a plus de deux siècles par l'un des précurseurs de la théorie des trous noirs, le Britannique John Michell. L'astronome ignorait tout d'une possible émission dans le domaine des rayons X du disque d'accrétion d'un trou noir. En fait, l'astrophysique n'existait tout simplement pas à cette époque où les chercheurs ne disposaient que des méthodes de l'astrométrie, et de la mécanique céleste de Laplace et Lagrange pour ne citer que ces deux géants.
Il y a quelques années, les astrophysiciens avaient déjà eu quelques surprises en déterminant les masses des trous noirs impliqués dans les émissions d'ondes gravitationnelles détectées par Virgo et Ligo. En fait, une énigme était apparue depuis la détection de GW150914, la première source ayant produit une onde gravitationnelle directement mise en évidence sur Terre grâce à Ligo. L'analyse du signal a montré que l'onde résultait de la collision accompagnée d'une fusion de deux trous noirs formant un système binaire avec, en ce qui concerne les estimations les plus probables des masses des deux trous noirs, respectivement 29 et 36 masses solaires. Déjà à cette époque, il était difficilement possible de rendre compte de trous noirs aussi massifs en utilisant la théorie conventionnelle de l'évolution stellaire. Depuis, quelques scénarios exotiques ont heureusement été proposés.
Dans le cas présent, l'énigme semble encore plus difficile à percer si l'on en croit les déclarations de Chris Belczynski, chercheur au Nicolaus Copernicus Astronomical Center : « Le trou noir LB-1 semble impossible à expliquer... des étoiles suffisamment massives pour former un trou noir "monstre" de 70 masses solaires devraient être totalement détruites par des explosions de supernovae à instabilité de paires qui ne laissent que du gaz et de la poussière, et non des trous noirs ! ».
Les théories affirment que certains trous noirs auraient pu se former dans la première seconde du Big Bang.
NASA / ESA et G. Bacon (STScI)
Tous les trous noirs que les astronomes ont vus entrent dans l'une des trois catégories suivantes: trous noirs de masse stellaire, trous noirs de masse intermédiaire et trous noirs supermassifs. Chacun est plus massif que notre Soleil et s'est formé au moins des centaines de milliers d'années après le Big Bang, alors que notre univers grandissait et évoluait.
Mais il y a un autre type d'astronomes du trou noir qui n'ont pas encore vu, mais penser pourrait exister. Ce sont des trous noirs primordiaux.
Comme leur nom l'indique, les trous noirs primordiaux sont nés très tôt dans la vie de l'univers, à peine une fraction de seconde après le Big Bang. Il a fallu longtemps avant que les étoiles ou les galaxies (et d'autres types de trous noirs) puissent exister. Mais certaines théories prédisent que les trous noirs primordiaux auraient de toute façon dû apparaître sur la scène. En effet, dans cette fraction de seconde après le début de l'univers lui-même, l'espace n'était pas complètement homogène (le même à chaque point). Au lieu de cela, certaines zones étaient plus denses et plus chaudes que d'autres, et ces régions denses auraient pu s'effondrer en trous noirs.
Une brève fenêtre
Il n'y a eu qu'une petite période de temps - environ 1 seconde - après le Big Bang lorsque des trous noirs primordiaux auraient pu se former. Mais dans le monde extrême de notre univers primitif en expansion, beaucoup de choses peuvent se produire en une seconde. Et plus tard dans cette fenêtre de temps que les trous noirs primordiaux se sont formés, plus ils seraient massifs. Selon le moment exact où ils se sont formés, les trous noirs primordiaux peuvent avoir des masses aussi faibles que 10 -7 onces (10 -5 grammes), soit 100 000 fois moins qu'un trombone, jusqu'à environ 100 000 fois plus grandes que le Soleil.
L'idée de ces minuscules trous noirs a intrigué l'astrophysicien Stephen Hawking, qui a exploré leurs propriétés mécaniques quantiques. Ce travail a conduit à sa découverte en 1974 que les trous noirs peuvent s'évaporerheures supplémentaires. Et alors que Hawking a finalement réalisé qu'un grand trou noir s'évaporerait plus longtemps que l'univers ne l'a été jusqu'à présent, de petits trous noirs auraient en effet pu s'évaporer ou être en train de le faire, selon leur masse. Hawking a calculé que tout trou noir primordial avec une masse supérieure à 10 12 livres ([10 12 kilogrammes]; c'est bien moins que la masse de n'importe quelle planète, planète naine et la plupart des astéroïdes et comètes nommés dans notre système solaire) pourrait encore être autour aujourd'hui, alors que ceux moins massifs auraient déjà disparu.
Et en fonction de leur masse (qui, rappelez-vous, dépend de la date de leur formation), tout trou noir primordial laissé aujourd'hui pourrait parfaitement expliquer certains des problèmes en suspens en astronomie.
Les galaxies, y compris la Voie lactée (à gauche) et Andromède, ont de grands halos de matière sombre (gris) s'étendant bien au-delà de leurs étoiles visibles et de leur poussière. Si les trous noirs primordiaux sont une forme de matière noire appelée MACHO, ils pourraient résider dans ces halos.
Kavli IPMU
Candidats de matière noire
Un de ces problèmes est la matière noire. Bien qu'il représente environ 30 pour cent de notre univers, les astronomes restent perplexes quant à la matière sombre exactement est. Les trous noirs primordiaux pourraient être la réponse - ou, du moins, en faire partie. Les trous noirs primordiaux pourraient être un type de matière noire appelée MACHO, qui signifie des objets halo compacts massifs, car les astronomes pensent qu'ils se trouvent dans les halos, ou à la périphérie, des galaxies. De tels trous noirs seraient difficiles à voir s'ils flottent simplement tranquillement dans l'espace et se gardent pour eux-mêmes. Une façon de repérer les MACHO consiste à rechercher des événements appelés microlentilles, qui se produisent lorsqu'un objet massif (par exemple, un trou noir) passe devant un objet plus éloigné, comme une étoile ou une galaxie. Le trou noir plie la lumière de la source éloignée qui l'entoure, éclaircissant et agrandissant l'image. Ces événements sont peu fréquents et de courte durée, mais en attraper suffisamment pourrait permettre aux astronomes de déterminer ce que sont les objets faisant la microlentille et s'ils pourraient être des trous noirs primordiaux. Cependant, plusieursdes études récentes ont déterminé que même si des trous noirs primordiaux de ce type existent, ils ne peuvent probablement pas expliquer tout ou même la plupart des effets de matière noire que nous voyons.
Une autre façon de rechercher de grands trous noirs primordiaux est par le biais de fusions. Les observatoires des ondes gravitationnelles comme LIGO et VIRGO ont déjà vu plusieurs fusions de trous noirs, et les projets futurs comme LISA seront de détecter des fusions de masses différentes de celles que nous pouvons actuellement repérer. Parce que les astronomes peuvent retracer les masses des trous noirs qui fusionnent, ils pourraient constater que les événements futurs ont été causés par des trous noirs avec les bonnes masses pour en faire des trous noirs primordiaux.
Alternativement, les trous noirs primordiaux pourraient être minuscules. Certaines théories soutiennent que bien que les trous noirs s'évaporent, il peut y avoir une limite de taille. Ainsi, lorsqu'un trou noir s'évaporant atteint une certaine masse, il cesse de s'évaporer et reste tout simplement très petit. Si tel est le cas, les trous noirs primordiaux pourraient toujours représenter la matière noire, quoique d'une manière différente, et les rechercher serait plus difficile. Peut-être que les astronomes pourraient repérer des trous noirs qui s'évaporent encore, ce qui dégagerait des particules énergétiques, qui à leur tour dégageraient des rayons gamma . Si les trous noirs finissent par exister sans s'arrêter, ils pourraient mourir dans des explosions d'énergie intenses - équivalant à environ un million de bombes à hydrogène de 1 mégatonne, a écrit Hawking - que nous pourrions également repérer comme des éclats de rayons gamma.
Graines supermassives
Même s'ils ne tiennent pas compte de la matière noire, il existe un deuxième problème en astrophysique auquel les trous noirs primordiaux pourraient répondre. Les trous noirs primordiaux d'une taille différente - plus grande - que ceux nécessaires pour expliquer la matière noire pourraient plutôt expliquer les trous noirs supermassifs que les astronomes voient au centre de galaxies massives. Ces trous noirs, des millions ou des milliards de fois la masse du Soleil, ne peuvent pas être créés par une ou même plusieurs étoiles qui explosent. Les astronomes ne savent pas comment ces trous noirs y sont arrivés ni ce qui les a créés; peut-être sont-ils construits à partir de trous noirs primordiaux qui existent depuis la première seconde de notre univers, servant de graines à partir desquelles des trous noirs supermassifs pourraient se développer.
Cette possibilité, cependant, peut également ne pas être probable, car les trous noirs primordiaux devaient se former au moment où l'univers n'avait que 1 seconde. Même les trous noirs primordiaux qui se sont formés au dernier instant possible ne seraient, selon la physique, que 100 000 fois plus massifs que le Soleil, ce qui n'est pas vraiment dans la classe de poids des trous noirs supermassifs. Pour obtenir les trous noirs encore plus grands que nous voyons aujourd'hui, ils devraient tirer beaucoup de matière et se développer très rapidement. Ce n'est pas impossible, mais cela explique peut-être moins le nombre de trous noirs supermassifs qui existent aujourd'hui.
Peu importe où et comment ils se trouvent, les trous noirs primordiaux pourraient en dire beaucoup aux astronomes sur l'univers dans lequel nous vivons. Selon leur masse, ils pourraient servir de sondes sur l'évolution des galaxies, la physique des hautes énergies et même les premières fractions de une seconde après la naissance de l'univers. Mais bien que des trous noirs primordiaux puissent exister, ils n'ont pas encore été vus, et restent actuellement l'une des grandes questions de l'astronomie, plutôt qu'une réponse ordonnée.
CEINTURE COSMIQUE. Un trou noir affamé au centre de la galaxie NGC 4438 souffle des bulles de gaz chaudes dans l'espace dans cette image du télescope spatial Hubble. Les bulles apparaissent lorsque le trou noir consomme des matières qui y tombent.
NASA / Jeffrey Kenney / Elizabeth Yale
Au début des années 1960, l'astronome Maarten Schmidt du California Institute of Technology a fait une découverte révolutionnaire. En regardant plusieurs étoiles qui étaient étrangement brillantes aux longueurs d'onde radio, Schmidt a obtenu un spectre de «l'étoile» 3C 273 et a trouvé sa distance extrêmement grande. Ce n'était pas du tout une étoile, mais un objet éloigné, extraordinairement énergétique qui ressemblait à une étoile - un objet quasi-stellaire, ou quasar.
MONSTRES CACHÉS. Des galaxies lointaines imagées dans le champ GOODS du télescope spatial Hubble (un champ profond spécial) révèlent des galaxies massives dans les deux images de gauche; les homologues de droite montrent la lueur de puissants trous noirs révélés par le télescope spatial Spitzer.
NASA / ESA / AM Koekemoer / M. Dickinson / l'équipe GOODS
Pendant de nombreuses années, le mystère de la nature exacte des quasars n'a pas été résolu. Ils déroutaient les astronomes à chaque tournant. Leurs raies spectrales ont été décalées d'une quantité incroyable vers l'extrémité rouge du spectre; en raison de leur grande luminosité, ils doivent représenter les objets les plus brillants de l'univers, ont déduit les astronomes. Mais qu'est-ce qui pourrait causer une telle effusion d'énergie, apparemment si tôt dans l'histoire du cosmos?
Le premier quasar identifié, 3C 273, se trouve dans la constellation de la Vierge à 2 milliards d'années-lumière. Mais à cette distance énorme, il brille toujours suffisamment pour être vu avec des télescopes amateurs dans l'arrière-cour. Comment un objet ressemblant à une étoile pourrait-il produire plusieurs milliers de fois la totalité de l'énergie produite par la galaxie de la Voie lactée?
Curieusement, les astronomes ont constaté que ces objets varient leur rendement lumineux au cours des mois, voire des jours, ils devaient donc être des objets relativement petits également. Alors que les recherches de quasars prenaient de l'ampleur, les astronomes en trouvèrent beaucoup plus. Ils ont trouvé de nombreux objets en forme d'étoiles avec des couleurs différentes de celles des étoiles et des sources ponctuelles associées à l'émission de rayons X ou à une forte sortie radio.
EN ATTENTE DE DÉJEUNER. Un trou noir de 300 millions de masse solaire se trouve dans la galaxie elliptique NGC 7052. Cette image Hubble montre la bande de poussière épaisse et sombre de la galaxie, qui entoure le trou noir. Dans plusieurs milliards d'années, le trou noir avalera cette caractéristique.
Roeland P. Van Der Marel / Frank C. Van Den Bosch
Aujourd'hui, 60 ans après la découverte du 3C 273, les derniers catalogues contiennent plus de 180 000 quasars, grâce à des levés systématiques comme le Sloan Digital Sky Survey.
Des années après le puzzle des quasars, à la fin des années 1970 et 1980, les astronomes ont commencé à comprendre ce que pouvaient être ces objets. Les quasars s'inscrivent dans une classification d'un grand nombre d'objets apparentés appelés noyaux galactiques actifs ou AGN. Maintenant, les astronomes se rendent compte que, clairement, tous les types de galaxies actives - quasars, galaxies Seyfert, objets BL Lacertae, radio galaxies et autres entités étranges - ont une chose en commun: elles sont toutes entraînées par de puissants trous noirs centraux. Le matériau tombant dans un trou noir du moteur central - étoiles, gaz et poussière - est rapidement filé et crée des jets de rayonnement puissants qui produisent la sortie incroyable que nous voyons comme un quasar.
Plus récemment, dans les années 1990, les astronomes ont réalisé que les AGN sont vraiment des nuances différentes de la même créature, certains apparaissant comme des animaux différents en raison d'orientations différentes de notre ligne de vue ainsi que d'autres différences géométriques. De plus, les données du télescope spatial Hubble ont continué à faire apparaître un grand nombre de trous noirs monstres au centre de nombreuses galaxies - même des galaxies «normales» comme la galaxie d'Andromède et la Voie lactée. Bientôt, une image générale a émergé de la façon dont les quasars et les trous noirs s'intègrent dans le cosmos.
UNE TAILLE NE CONVIENT PAS À TOUS. Le cœur de quatre galaxies elliptiques massives montre que plus le bulbe central d'une galaxie est massif, plus son trou noir est massif. Les images en noir et blanc à gauche montrent les galaxies; des gros plans pris avec le télescope spatial Hubble remplissent la colonne du milieu. La colonne de droite illustre les masses correspondantes des trous noirs.
NASA / Karl Gebhardt
L'idée est venue que la plupart des galaxies autres que les nains ont des trous noirs centraux. L'idée est que les «graines» du trou noir ont soit attiré la matière dans la formation de galaxies, soit se sont formées au sein de jeunes galaxies et ont agi comme des moteurs puissants et affamés dans le premier univers. Cette action a produit des quasars et explique pourquoi la plupart des quasars sont extrêmement éloignés. Alors que le trou noir «mangeait» de plus en plus de matière provenant des centres des galaxies, il leur restait peu de carburant pour se régaler à proximité, alors ils se calmèrent lentement. La plupart des galaxies de l'univers récent ont des géants endormis en leur centre.
Les géants endormis peuvent cependant se réveiller. Lorsque des interactions avec d'autres galaxies, des explosions d'étoiles ou des nuages de gaz tombant au centre des galaxies «réveillent» les trous noirs centraux, elles peuvent à nouveau éclater avec une explosion d'énergie. Cela explique AGN dans l'univers proche. La notion dominante est donc que la plupart des grandes galaxies contiennent de grands trous noirs, dont la majorité dorment après une jeunesse sauvage.
Une simulation plus réaliste du trou noir présenté dans le film Interstellar.
James et al./IOP Science
Dans le film Interstellar de 2014 , les astronautes enquêtent sur des planètes en orbite autour d'un trou noir supermassif comme maisons potentielles pour la vie humaine. Un trou noir supermassif déforme l'espace-temps, selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, et au moins une des planètes du film, appelée la planète de Miller, a vu le temps passer à un rythme ralenti. Pour chaque heure passée par les astronautes sur la planète, plusieurs années se sont écoulées en dehors de l'influence du trou noir.
Le décalage temporel affecterait considérablement si une planète proche d'un trou noir supermassif pouvait supporter la vie, selon un nouveau document publié sur le serveur de préimpression arXiv . La distorsion temporelle de la relativité générale affecte non seulement le passage du temps, mais aussi le type de lumière atteignant la planète, avec des implications pour toute vie là-bas.
Bien que la probabilité qu'une planète habitable soit en orbite autour d'un trou noir supermassif n'est pas claire, des expériences de pensée comme celles-ci sont utiles pour mieux comprendre l'univers, dit l'auteur de l'article, Jeremy Schnittman.
«C'est un peu fantaisiste, c'est un peu ironique», explique Schnittman, astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA. «Mais cela nous aide à réfléchir au fonctionnement de l'univers. Donc même s'il n'y a vraiment pas de planète autour d'un trou noir, c'est quand même amusant d'y penser. »
Un nouveau type de «zone habitable»
Lorsque les astronomes pensent à une vie extraterrestre potentielle, ils définissent souvent une «zone habitable» dans un système planétaire où les conditions pourraient soutenir la vie. Ces zones indiquent généralement où, dans un système planétaire, les températures pourraient permettre à l'eau liquide, ce qui dépend de facteurs tels que la quantité de lumière émise par l'étoile du système et la distance qui sépare une planète de celle-ci.
Il est également possible de définir des zones habitables autour des trous noirs supermassifs, dit Schnittman - si des planètes en orbite autour de ces types de trous noirs existent. Cependant, ces planètes obtiendraient leur lumière et leur chaleur de sources autres que la lumière du soleil.
Par exemple, ces trous noirs auraient probablement des disques d'accrétion, les halos chauds de gaz et de matière qui s'accumulent autour des trous noirs massifs. Ces disques peuvent être très brillants et pourraient fournir de la lumière aux planètes en orbite, bien que ce soit probablement très différent de la lumière du soleil sur Terre.
Planète bleue
Lorsque Schnittman a regardé Interstellar , le temps qui s'est déformé sur la planète de Miller lui a fait penser à d'autres effets qu'une planète pourrait ressentir près d'un trou noir supermassif. Il a réalisé que l'effet qui ralentit le temps sur la planète déplacerait également la lumière qu'elle reçoit de l'espace environnant vers des énergies plus élevées.
L'effet, appelé «blueshift», pourrait potentiellement rendre la lumière atteignant une planète près d'un trou noir plus dangereuse. La lumière entrante serait amplifiée à des fréquences beaucoup plus élevées, y compris la gamme UV. L'exposition à de tels rayonnements à haute énergie peut endommager les cellules vivantes, donc une planète trop proche d'un trou noir supermassif peut ne pas être hospitalière à la vie telle que nous la connaissons.
«Le temps affecte vraiment tout ce qui nous entoure», explique Schnittman. «Non seulement notre perception de la réalité, si vous voulez, mais elle change en fait la réalité, change le blueshift. Cela peut vraiment rendre tout très différent lorsque le temps passe à un rythme différent. »
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