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Le trou noir

Le champ magnétique autour d'un trou noir (V)

Comment peut-on expliquer la persistence du disque d'accrétion, le taux de spin élevé des trous noirs, la puissance du jet bipolaire et les éruptions X et gamma ? Il a fallut des décennies pour que les physiciens proposent un modèle convaincant expliquant tous ces phénomènes propres aux trous noirs. Certains modèles comme celui proposé par Roger Penrose en 1969 prenait en compte le trou noir de Kerr ainsi que l'évaporation quantique (voir plus loin) mais ne tenait pas compte des champs magnétiques. Bien que ce processus permit d'expliquer les émissions gamma par effet Compton inverse (Piran et Shaham, 1977) et les productions de paires (Kafatos etr Leiter, 1979), ce type de modèle n'expliquait pas le spectre des AGNs et autres quasars. Ce n'est qu'à partir de 1982 que les modèles prirent en considération les effets des champs magnétiques (Wiita, 1982; Dhurandar et Dadhich, 1984; Parthasarathy et al., 1986, etc) et s'appliquèrent enfin aux AGNs.

Aujourd'hui, avec plus d'un demi-siècle de recul, d'études comparées et de modélisations, tous les phénomènes observés autour d'un trou noir s'expliquent par l'existence d'un champ électromagnétique et d'interactions quantiques dans sa magnétosphère, c'est-à-dire la région aux abords de l'ergosphère où le plasma interagit avec le trou noir comme l'ont montré Thibaut Damour et Rémo Ruffini[13] parmi d'autres chercheurs dès 1975.

A gauche, simulation d'une instabilité dans une étoile neutron massive générant de gigantesques champs magnétiques d'intensité progressivement exponentielle avant l'effondrement de l'étoile en trou noir. Au centre, modèle HDM de la formation du jet bipolaire d'un trou noir à partir du champ magnétique. A droite, schéma de la formation des jets relativistes dans la magnétosphère d'un trou noir tel qu'on peut en observer dans les AGN. Le disque est principalement composé d'un plasma d'électrons-ions tandis que la couronne proche du disque serait composée d'un plasma de paires de particules ou d'un mélange d'ions et de paires de particules. Les lignes de force du champ magnétique prennent une forme en spirale en raison de la rotation du disque autour du trou noir, l'intensité du jet dépendant de la pression magnétique. Les flèches sombres indiquent le sens des courants magnétiques J, les flèches blanches celui des jets de paires de plasma qui s'échappent à des vitesses relativistes. Documents adaptés de D.Siegel/MPI (2003), Christian Fendt/MPI(2009) et Shinji Koide, ApJ (2009).

Depuis les travaux de Faraday en 1831, nous savons que tout corps en mouvement possède un champ magnétique qui génère un champ électrique (cf. le principe de la dynamo) qui est d'autant plus élevé que la rotation du corps et le champ magnétique sont importants. C'est notamment ce champ magnétique qui permet ou non le développement des disques protoplanétaires autour des jeunes étoiles. Son rôle est donc plus qu'important.

Dans le cas d'un trou noir, la relativité générale montre que le champ magnétique, la charge électrique et le taux de rotation sont liés (comme c'est également le cas pour les particules élémentaires). Un peu à la manière d'une protoétoile au stade T Tauri entourée de son disque d'accrétion (à la différence que son disque se forme avant l'étoile), comme on le voit dans les schémas ci-dessus à gauche, lorsqu'une étoile d'effondre et franchit le stade d'étoile neutron, l'intensité de son champ magnétique augmente de manière exponentielle jusqu'à ce qu'elle se transforme en trou noir. Ensuite, même si elle perd ce champ magnétique sous forme d'énergie gravitationnelle (voir plus loin), un nouveau champ magnétique est généré suite à l'interaction du trou noir avec le disque d'accrétion chargé électriquement d'électrons et de protons.

Schéma de la géométrie du champ magnétique dans la partie interne du disque d'accrétion d'un trou noir de Kerr.  Document de E.M. de Gouveia Dal Pino et al. (2005) adapté par l'auteur.

Ce champ magnétique présente des lignes de forces similaires à celle d'un aimant formant un circuit fermé. Toutefois, vu de profil, si le disque d'accrétion et les jets peuvent paraître symétriques, en réalité selon les modèles, la structure magnétique ne présente pas une symétrie parfaite entre ses parties supérieure et inférieure. En effet, les instabilités présentes dans le disque d'accrétion modifient cette symétrie en créant localement des boucles magnétiques comme l'illustre le schéma présenté à gauche. Généralement, les lignes du champ magnétique se referment loin du trou noir, dans le disque d'accrétion, formant une configuration bipolaire.

L'accélération des particules et les émissions X se produisent dans le site des reconnexions magnétiques situé à la base de la zone neutre. Quant aux rayons gamma et aux éruptions X, ils sont générés dans la zone de la couronne qui se forme au-dessus de la zone interne du disque d'accrétion où le champ magnétique est ouvert.

Il existe de nombreuses théories plus ou moins supportées pouvant expliquer les différents phénomènes observés à partir des activités électromagnétique et gravitationnelle d'un trou noir. Par simplicité, certains modèles ne prennent pas en considération le champ magnétique mais comme toute approximation, ils sont aussi la source de plus d'erreurs d'interprétations.

Comme on le voit dans les schémas ci-dessus, les modèles expliquent les interactions se déroulant dans la magnétosphère du trou noir entre le plasma et le champ magnétique sous l'effet d'une gravité intense ainsi que les interactions entre le disque d'accrétion et la couronne.

Les reconnexions entre les lignes de la magnétosphère du trou noir et celles émanant du disque d'accrétion ont lieu dans la Région X située dans la partie interne du disque où la pression magnétique magnétosphérique équilibre la pression dynamique (ram pressure) générée par l'accrétion de la matière. La région d'où émane le jet est en principe la même que celle des éruptions les plus fortes (flares) provoquées par les reconnexions magnétiques et correspond à la partie interne du disque. Notons que ceci est compatible avec le scénario de Blandford-Payne décrivant le flux HDM et la production de jets, si ce n'est que ce dernier ne prend pas en compte les interactions entre les lignes de force du champ magnétique du disque d'accrétion et celles de la magnétosphère du trou noir.

Selon les modèles, l'environnement d'un trou noir serait constitué de différents types de plasmas, par exemple des paires de plasma (électron-positrons) dans le jet et dans la couronne et un mélange d'ions et de paires de plasma dans le disque, mais aucune observation n'a encore permis de confirmer cette hypothèse.

Cette question est importante car ces différents plasmas pourraient influencer différemment la dynamique de la magnétosphère d'un trou noir. A ce jour les quelques études basées sur la magnétohydrodynamique newtonienne ou relativiste sont très difficiles à modéliser et ne représentent que des approximations du comportement des plasmas.

A voir : Simulation du jet d'un trou noir supermassif - Simulation du jet de Sgr A*

Vue rapprochée du trou noir supermassif situé au coeur d'un quasar. Entouré d'un gigantesque disque d'accrétion, il est en train de capturer une étoile qu'il va bientôt déformer et déchiqueter. Ce trou noir est en pleine activité, émettant un jet puissant de plasma sur plusieurs centaines de milliers d'années-lumière. Imaginez que tout ceci est en mouvement comme le montre la séquence vidéo présentée ci-dessus sur YouTube. Documents Red Visions et C4 Studio pour le National Geographic Channel.

L'activité du champ magnétique explique également en bonne partie l'existence et les propriétés du phénomène le plus spectaculaire d'un trou noir actif, son jet de plasma.

Origine et structure du jet bipolaire

Le jet bipolaire supersonique émis par un trou noir comme celui émis par une binaire X ou une protoétoile en formation au stade T Tauri est composé de plasma parfois mélangé à des molécules et des ions dans les cas de la partie basse du jet émis par les protoétoiles. Dans de nombreux cas, ce jet présente un aspect noueux parfois irrégulier comme on le voit-ci-dessous. Il peut également être torsadé et émet un rayonnement X, lumineux et radioélectrique. Comment expliquer cette structure et ces rayonnements ?

Rappel historique

L'origine et la formation des jets font encore l'objet de débats mais comme l'explique l'astrophysicien Donald Lynden-Bell[14], professeur émérite du Clare College de Cambridge, depuis la fin des années 1970 les astronomes et les physiciens ont accompli un immense travail théorique pour comprendre leur formation et leurs propriétés.

Ce jet de matière est très chaud (~10000 K) et se propage dans le milieu interstellaire où la température est glaciale (~10 K). En principe, sans faire appel à une autre composante, la thermodynamique nous dit que ce plasma devrait entrer en expansion et ne pas être aussi collimaté qu'il apparaît.

Comme le dit Lynden-Bell, il est surprenant qu'un disque en rotation contenant de la matière conductrice fluide génère un jet hautement collimaté perpendiculairement au plan de déplacement. Ce jet peut rester collimaté sur des distances des centaines et même des dizaines de milliers de fois la taille du disque qui les génère. Ces jets se déplacent à des vitesses voisines de celle de la lumière alors que les astres qui les produisent présentent des vitesses de 100 à 200 km/s. Il existe donc une corrélation évidente entre la vitesse circulaire maximale dans le disque d'accrétion (ou la vitesse d'évasion de l'objet compact central) et les vitesses observées dans leurs jets.

Bien que le premier jet optique fut découvert dans la galaxie M87 en 1918 par Hebert D. Curtis qui le qualifia de "curieux rayon droit… apparemment connecté au noyau par une fine ligne de matière", le phénomène de jet fut découvert par les radioastronomes dans les radiogalaxies. Le premier représentant fut Cygnus A alias 3C405 présenté ci-dessous à gauche découvert par Philip Hargrave et Martin Ryle en 1974. On reviendra sur ces curieux objets à propos des quasars.

A gauche, image composite de la radiogalaxie Cygnus A, 3C405, située à 600 millions d'années-lumière montrant son jet visible (en rouge) qui s'étend sur 5000 années-lumière et sa composante X (en bleu). Au centre, le jet bipolaire irrégulier émis par le trou noir caché au coeur de Centaurus A, NGC 5128. A droite, le jet de l'objet HH111 mesurant 1500 années-lumière et dont les protons et électrons dont il est constitué se déplacent à 500 km/s. Documents VLA/CXC/NASA/STScI, NASA et NASA/ESA/STScI.

Après avoir observé d'autres radiogalaxies comme Hercules A, NGC 6258, en haute résolution grâce au VLBI, les astronomes découvrirent que les jets contenaient des noeuds de plasma d'une taille inférieur au parsec. A l'époque, c'est-à-dire en 1974, les astronomes parmi lesquels Scheuer, Blandford et Rees pensaient que ces jets étaient nécessaires pour maintenir l'émission radio des lobes qu'on observe aux extrémités de la source. En effet, dans les radiogalaxies, le principal mécanisme d'émission est le rayonnement synchrotron émis par des électrons relativistes spiralant autour des lignes de force d'un champ magnétique. La polarisation du rayonnement (voir plus bas) fut l'une des prédictions observées confirmant la présence de ce mécanisme. Ensuite, les physiciens comprirent assez facilement comment des électrons pouvaient être accélérés, produisaient des chocs comme on en observe dans les lobes radioélectriques, comment les lignes du champ magnétique pouvaient se reconnecter et comment un disque d'accrétion en rotation pouvait produire un champ magnétique capable de produire des électrons rapides qui rayonnaient à mesure qu'ils tourbillonnaient autour du champ.

Toutefois, il était loin d'être évident qu'un champ magnétique puisse collimater des jets étroits. En effet, près d'un astre compact, l'enroulement des lignes de force du champ magnétique peut expliquer le confinement du plasma mais à grande distance, l'intensité de ce champ diminuant, un autre mécanisme doit le remplacer et le pérenniser. On se doutait bien que le champ magnétique était ouvert aux pôles d'un astre, encore fallait-il expliquer comment le rayonnement était collimaté et pourquoi certains jets étaient visibles en lumière blanche et d'autres uniquement dans le spectre radio ou X ou à travers tout le spectre.

Si Blandford et Payne précités avaient déjà proposé en 1982 une explication hydromagnétique à la production des jets, ce n'est qu'en 1995 que Ionannis Contopoulos proposa une solution intéressante de la colllimation grâce à la théorie MHD (magnétohydrodynamique), supportée à partir de 1999 par les travaux de S. Bogovalov et K.Tsinganos (cf. aussi leurs articles de 2002 et 2005). 

Plusieurs théories peuvent expliquer cette collimation à longue distance, en particulier l'effet d'un champ MHD et l'effet de la pression de radiation du milieu, ce dernier pouvant en plus expliquer les irrégularités visibles dans certains jets. Toutefois, ces modèles souffrent encore de quelques approximations et sont toujours en évolution, d'où l'intérêt d'observer des trous noirs, des systèmes binaires X et des étoiles T Tauri en haute résolution pour analyser tous les phénomènes qui s'y développent, à quel moment, pendant combien de temps, à quelles longueurs d'ondes, etc.

A gauche, deux F-16 de l'USAF en mission en Syrie en 2014 et dont la turbine en postcombustion émet une flamme présentant des noeuds. Ils sont provoqués par un plasma supersonique en présence d'instabilités et de chocs internes. On observe le phénomène avec les moteurs du SR-71 en postcombustion (et sur cette image) ou avec les moteurs cryogéniques (SSME) de la navette spatiale au décollage. A droite, évolution en spirale d'un flux d'électrons dans un champ magnétique dirigé vers la droite. Le plasma évoluant dans un tokamak se déplace de la mêne manière. Documents USAF/LM et AFP et Ask Mathematician.

Un jet présentant une série de noeuds résulte soit d'un phénomène de pulsation de la source émettrice (étoile ou trou noir et dans l'exemple ci-dessus, la turbine des avions supersoniques) soit d'une variation de vitesse de ses composantes. La période de ces variations est proche du temps caractéristique de la composante transversale (RJ /VJ). Ce phénomène peut entraîner une chaîne de chocs régulièrement espacés (~1000 UA pour l'objet protostellaire HH111) pouvant s'étendre sur plusieurs milliers d'années-lumière. Ces noeuds de plasma évoluent dans le temps et se propagent avec des vitesses variant entre quelques dizaines de km/s près de la source à plusieurs centaines de km/s à grande distance. Dans le cas des trous noirs galactiques et des AGNs, le jet peut atteindre des vitesses supraluminiques par effet relativiste. Parfois ce jet est torsadé si la source est en rotation.

Ces explications sont fondées sur des théories supportées par des simulations informatiques, mais quelle preuve avons-nous qu'un trou noir "fonctionne" réellement de cette manière ? Comment être certain que des modèles élaborés il y a 10 ans ou plus sont toujours d'actualité et que les astronomes ne se fourvoient pas dans des voies sans issue ?

Depuis que les astronomes étudient les disques circumstellaires, les étoiles binaires X et les disques d'accrétion des trous noirs, nous savons que se sont les forces antagonistes d'attraction et centrifuge qui génèrent la viscosité nécessaire au transport de la matière grâce au moment angulaire (et permettent au trou noir de grandir et voir son rayonnement s'amplifier). Selon les modèles, sans ce champ magnétique l'accrétion s'arrêterait et les jets s'affaibliraient. Mais jusqu'à présent, si ce mécanisme explique assez bien les émissions des trous noirs (de leur disque interne), tant les jets relativistes que les éruptions soudaines ou prolongées (sursauts gamma, flares et autres afterglows), les astronomes n'avaient pas de preuves observationnelles.

Preuves observationnelles

Polarisation linéaire

C'est en mesurant la polarisation du rayonnement autour du trou noir de Sgr A* situé au centre de la Voie Lactée qu'une équipe internationale d'astronomes a enfin obtenu cette preuve en 2015, soit après plus de 50 ans de recherches théoriques et d'observation des trous noirs ! En effet, les émissions radioélectriques de Sgr A* sont générées par des électrons de haute énergie spiralant autour des lignes de forces du champ magnétique. Ce phénomène produit des émissions fortement polarisées à l'échelle microscopique liées à l'orientation locale du champ magnétique. C'est ainsi que la polarisation permet de tracer la structure du champ magnétique des trous noirs ou des galaxies.

La découverte de cette polarisation autour de Sgr A* prouve l'existence de champs magnétiques autour de ce trou noir et a permis pour la première fois de mesurer ses dimensions et son intensité. L'étape suivante consiste à observer son disque d'accrétion grâce aux moyens interférométriques de l'Event Horizon Telescope (EHT). On y reviendra en temps utile.

Délai entre les émissions X et visible

Les systèmes binaires V404 Cygni et GX 339-4 alias V821 Arae sont chacun constitués d'une étoile géante massive vraisemblablement en orbite autour d'un trou noir stellaire de respectivement 12 et 5.8 M. Ces binaires X de faible masse (LMXB) présentent une luminosité qui oscille périodiquement (QPO) et émettent des rayonnements X et visibles qui ne sont pas d'origine thermique. Ces systèmes binaires sont suffisamment proches (respectivement ~8000 et ~20000 années-lumière) pour que les télescopes terrestres puissent les étudier en haute résolution.

Poshak Gandhi de l'Université de Southampton et ses collègues les ont étudiés au moyen du télescope William Herschel de 4.20 m installé à La Palma dans les îles Canaries et simultanément avec le télescope spatial X NuSTAR et ont découvert que les rayonnements X et visible émis par le disque interne d'accrétion étaient décalés dans le temps de 0.1 seconde. Ces observations ont été rendues possibles grâce aux capacités de la caméra CCD ULTRACAM (la même qui est installée sur les VLT depuis 2005 dont voici une revue) capable d'enregistrer jusqu'à 500 images RGB par seconde (taux de 500 Hz) et de détecter des évolutions très rapides dans les disques d'accrétion et les jets bipolaires.

A voir : V404 Cygni Jet Flares, U.Southampton, 2017

Illustrations d'un trou noir entouré de son disque d'accrétion dont la partie interne est à l'origine de l'émission d'un jet de plasma collimaté composé de gaz chaud. Le dessin de droite illustre le système Cygnus X-1 abritant un trou noir de 15 masses solaires autour du duquel gravite une étoile massive bleue. Documents NASA/JPL-Caltech et NASA/CXC/M/Weiss.

Plus intéressant, bien que le disque d'accrétion de GX 339-4 Arae soit plus petit que celui de V404 Cygni, dans les deux cas le délai est identique et donc indépendant de la taille du disque. Selon les chercheurs, ce délai pourrait dépendre de la masse du trou noir. Cette découverte fut publiée en 2017 dans la revue "Nature Astronomy".

C'est la première fois que les astronomes réalisent une telle mesure. Ce délai de 0.1 s représente le temps entre la formation du jet de plasma dans le disque interne et le moment où il est suffisamment accéléré pour commencer à briller. Sachant que dans le jet le plasma peut se propager à une vitesse maximale de celle de la lumière, les chercheurs en ont déduit que la distance d'accélération était de 30000 km, presque trois fois le diamètre de la Terre, soit 0.1 seconde-lumière maximum.

Cette découverte est importante car elle va permettre aux chercheurs de mieux modéliser la structure du champ magnétique dans le disque d'un trou noir et dans tous les autres objets émettant un jet brillant généré par un champ magnétique intense, notamment les BL Lacertae massives où les astrophysiciens avaient déjà suggéré l'existence d'un délai entre les émissions X et visibles. Il faut à présent que les chercheurs confirment ces observations sur d'autres astres émettant des jets bipolaires, y compris sur les trous noirs les plus massifs.

La superradiance

Simulation de la superradiance dans un fluide en rotation simulant un trou noir. Document Jonathan Oppenheim/U.College London.

Une autre particularité du trou noir est de pouvoir émettre des ondes électromagnétiques. Ce n’est pas paradoxal. Imaginons un front d’ondes électromagnétiques qui s’incurve en passant près d’un trou noir puis se propage au loin. Etant donné que certaines particules seront capturées par le trou noir, l’intensité du faisceau dispersé sera inférieure à celle du faisceau incident. Mais il est également possible que l’intensité de l’onde dispersée soit supérieure à celle de l’onde incidente. Deux conditions doivent être remplies : le trou noir doit être en rotation puisqu’il s’agit de la seule énergie qui puisse s’en échapper, ensuite la fréquence du rayonnement doit être inférieure à la fréquence de rotation du trou noir. Ce processus d’amplification est appelé la "superradiance" et fut découvert par Yakov Zel’dovitch et décrit mathématiquement par Robert Dicke en 1954. C’est Igor Novikov alors à l’Université de Moscou qui médiatisa cette théorie avec le succès que l’on sait. Comme on le voit à droite, ce phénomène a déjà été simulé en laboratoire avec des fluides en rotation.

La superradiance se manifeste également dans les ondes gravitationnelles. Le facteur d’amplification est faible pour les ondes électromagnétiques, il est de 4.4 %, mais il atteint 138 % dans le cas des ondes gravitationnelles.

Selon Novikov, si on parvient à placer une sphère artificielle réfléchissant les ondes électromagnétiques autour d’un trou noir en rotation, la condition de superradiance peut être rencontrée un court instant. Cela signifie que pendant que les ondes sont attirées vers le trou noir, elles seront amplifiées, puis se propageront dans l’espace avant d’être réfléchies par la sphère qui l’entoure. Elles seront réattirées vers le trou noir où l’amplification se répétera. Ce processus provoque une augmentation de l’énergie de radiation du trou noir en avalanche. Le trou noir et la sphère réfléchissante deviennent un générateur de rayonnement qui, sous la pression de radiation, finira par faire exploser le système : c’est une bombe gravitationnelle !

A présent que nous avons décrit la structure, les paramètres et le jet bipolaire d'un trou noir, décrivons quelques unes de ses plus étonnantes propriétés.

Prochain chapitre

L’évaporation des trous noirs

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[13] Lire l'article de Thibaut Damour et Remo Ruffini (1975) décrivant la manière dont l'énergie électromagnétique peut s'extraire grâce à la polarisation du vide en créant des jets et des sursauts gamma et celui de Thibaut Damour (1978) sur les courants turbulents des trous noirs.

[14] Consulter le livre "The Formation and Disruption of Black Hole Jets", s/dir Ioannis Contopoulos, Springer Int'l Publ., 2015, dont le chapitre 1 écrit par D.Lynden-Bell consacré aux jets. Lire également les articles de Waggett et al. (1977), Lynden-Bell (1978, voir aussi 2003), Cohen et Readhead (1979), Blandford et Payne (1982), Appl et Camenzind (1993), Ouyed et Pudritz (1999), Gammie et al. (2003).


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