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Le trou noir

Les trous noirs existent-ils ? (VII)

Histoire fantastique, pure spéculation ou phénomène identifié, les observations gamma, radioélectriques et optiques tentent à confirmer que le statut des trous noirs est celui de la réalité. Des trous noirs existeraient au centre des galaxies et même des amas globulaires compacts. En effet, les trous noirs ne sont pas seulement présents isolément dans l'espace, suite à l'effondrement d’étoiles massives. Certains se situent très probablement au centre des galaxies et des quasars, y compris au coeur de la Voie Lactée, et présentent un volume confiné dans quelques milliards de km (quelques heures-lumières). Leur masse s'échelonne entre quelques milliers et plusieurs milliards de masses solaires. On y reviendra.

A gauche, superposition des images optique et radio de la radiosource NGC 4261 alias 3C270 située dans la Vierge. Les jets s'étendent sur environ 30 kpc, 100000 années-lumière ! Au centre, l'image agrandie du disque d'accrétion couvrant 6" ou 2400 années-lumière ! Le trou noir se situe à 20 années-lumière du centre géométrique de cet AGN. A droite, illustration de l'attraction d'une étoile errante par un trou noir qui finit par l'engloutir. Documents STSCI et MPE/Stefanie Komossa.

Les propriétés du trou noir permettent d'imaginer un scénario d'évolution pour les galaxies présentant un noyau actif, les fameux AGNs. Statistiquement, comme nous l'avons évoqué (cf. page 2), il existerait plus de 100 millions de trous noirs stellaires rien que dans notre Galaxie ! Il est donc envisageable que les AGNs contiennent également un grand nombre de trous noirs dont certains ont pu acquérir une masse colossale en l’espace de 5 ou 10 milliards d’années.

Voyons comment une galaxie ordinaire peut se transformer en AGN. Imaginons à grande distance de la Voie Lactée, dans le noyau d'une galaxie encore calme, une étoile massive (2.5-100 M) terminant sa vie sous la forme d'un trou noir de quelques kilomètres de diamètre.

La densité de matière étant très élevée dans le noyau d'une galaxie, une grande quantité de gaz et de poussières sont rapidement attirés par l'intense champ gravitationnel qui règne dans son voisinage. Par effet d'accrétion, le trou noir grossit démesurément, jusqu'à devenir gigantesque et superrmassif. Au bout de plusieurs centaines de millions d'années, sa masse se chiffre en centaines de millions de masses solaires pour une température proche du zéro absolu.

Malgré sa masse et sa force gravitationnelle, ses dimensions sont inférieures à un milliard de kilomètres, un peu plus grand que l'orbite de Jupiter, ce qui représente à peine une heure-lumière. A quelques dizaines d’années-lumière un tel trou noir sous-tendrait un angle de 0.00000001" d’arc; il serait invisible, même placé devant une nébuleuse brillante.

Bien que pratiquement aucune énergie ne puisse s'échapper d'un trou noir, drainant la matière ambiante, son environnement proche est entraîné dans un mouvement tourbillonnaire dans lequel le plasma devient lumineux suite à la friction de la matière qui est portée à haute température. Par transfert du moment angulaire, le trou noir signale sa présence par des émissions électromagnétiques intenses, des jets optiques et radios dirigés et des flash gamma qui signalent la disparition des étoiles.

Le coeur de cette galaxie qui au départ brillait normalement est devenu des milliards de fois plus lumineux. Si le trou noir devient supermassif (des millions ou des milliards de masses solaires), à travers son disque d'accrétion, il peut porter son influence à plusieurs centaines et même des milliers d'années-lumière. Observées aux longueurs d'ondes radios, cette galaxie à noyau actif présente deux immenses lobes bipolaires chauds qui émanent du trou noir et s'étendent dans deux directions opposées jusqu'à plusieurs années-lumière. Les trous noirs seraient ainsi à l'origine des phénomènes les plus intenses de l'univers, du rayonnement des quasars aux jets de matière à des vitesses relativistes.

Quand un trou noir investit le coeur d'une galaxie

De gauche à droite, le rayonnement d'un quasar (AVI de 4.4 MB), un trou noir se nourrissant des gaz issus des étoiles déchiquetées (MOV de 4.8 MB), le trou noir situé au centre de Centaurus A (MOV de 13.2 MB) et un gros-plan sur un trou noir en action (MOV de 3.9 MB). Document CTIO, NASA, Chandra.

Notons que malgré le fait que Roy Kerr avait prédit en 1963 que les trous noirs étaient en rotation, jusqu'en 2003 aucun scientifique ne pouvait affirmer qu'un trou noir tournait réellement sur lui-même. En effet, personne n'en a jamais observé, leur observation étant rendue très difficile. Ce que nous observons en fait, c'est le disque d'accrétion de gaz et de poussières plus ou moins vaste qui entoure le trou noir qui est parfois tout aussi brillant qu'une étoile à n'importe quelle longueur d'onde.

Les recherches se sont donc portées sur la matière circulant dans le voisinage immédiat des trous noirs pour essayer d'y détecter un mouvement tourbillonnaire ou d'autres indices allant dans ce sens. Todd Strohmayer de la NASA a ainsi détecté en 2003 l'existence d'un mouvement de rotation dans le rayonnement X émis par les trous noirs, notamment celui situé au coeur de la galaxie NGC 3783.

Les immenses jets qui s'en échappent par les pôles indiquent également qu'ils résulteraient d'un mouvement de rotation entretenu par un mécanisme magnétohydrodynamique similaire à celui des disques circumstellaires qui générerait la force nécessaire à ces émissions gargantuesques. Il ne s'agit bien sûr que d'indices indirects, mais les astronomes estiment aujourd'hui que les trous noirs sont en rotation sur eux-mêmes, comme la plupart des étoiles.

Phénomènes associés aux trous noirs

Les propriétés des trous noirs pourraient expliquer plusieurs types de phénomènes :

- Le disque d'accrétion. Comme tous les objets massifs et compacts, l'une des principales caractéristiques d'un trou noir est sa capacité d'attirer la matière. Par l'effet de l'accrétion gravitationnelle, un trou noir s'entoure d'un disque d'accrétion composé de gaz et de poussières capturés dans un rayon de l'ordre de 1 UA pour un trou noir de 2.5 à 3 M mais qui peut atteindre plusieurs dizaines voire exceptionnellement plus de 1000 années-lumière de rayon pour un trou noir supermassif (de quelques centaines de millions à plusieurs dizaines de milliards de masses solaires).

Illustration du jet bipolaire de plasma et du disque d'accrétion très proche du rayon limite (ISCO) du trou noir supermassif situé au centre de la galaxie NGC 1365 de l'amas du Fourneau. Document NASA/JPL-Caltech.

Les forces antagonistes (attraction et force centrifuge) se développant dans le disque génèrent la viscosité nécessaire au transport du moment angulaire ce qui permet au trou noir d'accumuler de la matière et de grossir.

La matière transitant par ce disque obéit aux mêmes lois que le disque d'accrétion entourant les jeunes étoiles en formation à la différente qu'elle n'est pas chauffée par le rayonnement stellaire. En revanche, comme dans le disque entourant les protoétoiles, les mouvements de plus en plus accélérés de la matière attirée vers le centre liés aux effets de la turbulence dans un milieu présentant une certaine viscosité engendre une friction entre les particules qui chauffe le disque interne. En fonction de la quantité de chaleur dissipée et de la masse du trou noir, ce disque rayonne soit en infrarouge soit à de plus courtes longueurs d'ondes, notamment en visible ou en UV chez le trous noirs supermassifs, jusqu'à émettre un rayonnement X au niveau de l'horizon du trou noir et même un rayonnement gamma par effet Compton inverse dans une zone appelée la couronne qui se forme au-dessus du disque d'accrétion.

Bien que le trou noir tire sa luminosité de la quantité d'énergie disponible dans le disque, la plupart d'entre eux sont invisibles car le disque d'accrétion forme un tore épais et opaque qui absorbe la lumière émise par le disque d'accrétion, rendant sa détection très difficile en lumière blanche, IR ou UV. En revanche, la partie interne émettant fortement en X, sa détection est possible par satellite, à condition que sa résolution soit suffisante.

- Champ magnétique. Le champ magnétique est généré par l'interaction du trou noir avec le disque d'accrétion chargé électriquement d'électrons et de protons. Il peut être détecté par la polarisation du rayonnement visible ou radioélectrique dont l'intensité dépend de la force du champ électrique et du taux de rotation du trou noir.

- Extraction de l'énergie. Selon Roger Penrose (1970), l'énergie de rotation peut s'extraire d'un trou noir à partir du champ électromagnétique. Selon Thibaut Damour et Remo Ruffini (1975), cette énergie électromagnétique peut également s'extraire grâce à la polarisation du vide, phénomène permettant de créer dans un lapse de temps extrêmement court des paires de particules (électron-positrons) à condition que le champ soit intense. Ce phénomène donnerait naissance aux jets et aux sursauts gamma.

- Rayonnement X et gamma. Les étoiles les plus proches de l'horizon du trou noir se heurtent à des forces gravitationnelles qui déchirent leur enveloppe, formant un anneau d'accrétion incandescent qui tombe vers lui. Dans la partie interne du disque, la matière fortement turbulente est portée à une température infernale et émet de puissants rayonnements X. A plusieurs millions de degrés l'énergie potentielle gravitationnelle est convertie en rayonnement.

Selon l'intensité des interactions magnétiques (ou magnétohydrodynamiques), l'énergie libérée par le disque interne ressemble à une impulsion électromagnétique (EMP) mais elle est beaucoup plus puissante et serait composée de paire de plasma (électrons-positrons) capables de produire des sursauts gamma d'une intensité de 1054 ergs tels ceux qu'on peut observer dans les sources GRB et autres AGNs.

Les abords du trou noir émettent sur un spectre continu que nous pouvons détecter, présentant en ondes radios une brillance si intense qu'aucun masque ne peut la réduire. L'évaporation des mini-trous noirs devrait également se traduire par des émissions gamma, mais à ce jour aucune observation n'a pu confirmer les prédictions de Hawking.

- Emissions X oscillantes. Le disque d’accrétion subit des mouvements turbulents qui créent des oscillations dans le plasma tombant sur le trou noir. Ces flashes ne durent que quelques centièmes à quelques dix millièmes de seconde. Ces émissions ne ressemblent pas aux émissions pulsées des pulsars.

A consulter : Gamma-Ray Burst Real-Time Monitoring

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A gauche, aspect extérieur et vu à la verticale du disque d'accrétion et du changement de fréquence de la lumière autour d'un trou noir et d'une étoile à neutron. A droite, les différents types d'émissions associées à un trou noir. Documents CfA/U.College et GSFC adapté par l'auteur.

- Rayonnement synchrotron. Le disque interne d'accrétion qui se forme autour du trou noir émet un rayonnement intense, d'origine non stellaire et variable, fonction de la masse du trou noir et de la quantité de matière qui tombe dans le puits gravitationnel. Ces particules sont sous l'emprise d'un champ magnétique intense qui peut engendrer des vitesses relativistes et des émissions sporadiques polarisées. Ce rayonnement synchrotron ne contribue pas ou peu aux émissions infrarouges qui ne sont pas polarisées.

- Raies d'émissions. Les nuages de gaz qui entourent le trou noir sont ionisés par le rayonnement intense en provenance du disque d'accrétion. Les particules deviennent instables, subissent une intense agitation électronique et des perturbations magnétiques qui produisent des raies larges ou dédoublent les raies fines (effet Zeeman). Lorsque les particules sont relativement stables, loin de la fournaise du disque interne, les raies restent fines. Cet élargissement des raies indique que le plasma est animé de mouvements rapides, entraîné par la zone d'influence du trou noir. Il s'agit d'un effet Doppler d'origine gravitationnel.

- Jets de matière. Le plasma contenu dans le disque interne d'accrétion est entraîné à grande vitesse vers l'horizon du trou noir. En s'effondrant, une certaine quantité de matière reste confinée dans la région de l'ergosphère. Sous l'emprise d'un intense champ magnétique, cette matière subit un effet accélérateur qui lui donne suffisamment d'énergie pour s'échapper à une vitesse relativiste de la sphère d'influence du trou noir. Etant donné que le disque d'accrétion l'empêche de se dissiper dans le plan du disque, à l'image de l'effet dynamo (cf. la cavité centrale du disque des étoiles T Tauri) les seules échappatoires sont les régions polaires du trou noir qui éjectent un important flux de matière et de rayonnement à grande distance sous forme de jets très directifs composés de condensations brillantes. Dans le cas des trous noirs supermassifs, les jets bipolaires peuvent éjecter l'équivalent de plusieurs dizaines de masses solaires par jour jusqu'à plusieurs milliers d'années-lumière de distance.

- Lobes radios symétriques. Le phénomène de transfert d'énergie s'accompagne de l'éjection de plasma. Excité par la friction électronique dans un milieu raréfié, il est porté à plusieurs millions de degrés. Il est éjecté sous forme de jets bipolaires formant une onde de choc qui perturbe le milieu ambiant, ce que nous captons comme des points chauds d'émissions très intenses jusqu'à plusieurs milliers d'années-lumière quelques fois, soit jusqu'à quelques degrés de distance.

A lire : Les rayons cosmiques tracés jusqu'aux galaxies

A gauche, représentation artistique du noyau d'une galaxie active. A droite, Arp 331 alias 3C31. L'image radio réalisée à 3.6 et 21 cm (en rouge) a été superposée sur une image optique (en bleu). Selon toute probabilité les jets sont émis par un trou noir hébergé au centre de l'astre. Document VLA/NRAO/Alan Bridle.

- Etoiles en mouvements. Les étoiles plus éloignées sont entraînées vers ce gouffre, accélérant leur course jusqu'à acquérir une vitesse de 10000 km/s qui éjecterait n'importe quel autre étoile de sa trajectoire; les étoiles multiples peuvent voir leur compagnon éjecter de la zone d'influence du trou noir avec une vitesse de libération de l'ordre de 1000 à 4000 km/s, traversant la galaxie à des vitesses 100 fois plus élevées que les étoiles ordinaires. Mais leur taille ponctuelle ne permettrait pas de les détecter à partir de la Terre. Elles peuvent toutefois être décelées si elles traversent un environnement plus dense qui permet la formation d'un front de choc.

Les modèles prédisent que si de gigantesques trous noirs se situent au centre des galaxies, 200 étoiles super-rapides pourraient ainsi quitter les noyaux galactiques. Si ne fut-ce qu'une seule étoile super-rapide était détectée, ce serait un indice supplémentaire qui confirmerait l'existence des trous noirs au centre des galaxies.

- Rayonnement des quasars et autres AGNs. Dans les années 1970, les physiciens américains Brandford et Znajeh ont démontré que si on plaçait un trou noir en rotation dans un champ magnétique extérieur, il générait un puissant champ électrique. C’est l’effet dynamo à l'image de celui entretenu par le noyau de la Terre ou la zone convective du Soleil. Dans le voisinage d’un trou noir, le champ magnétique est transporté par le gaz interstellaire qui tombe vers la singularité suite au mouvement d’accrétion. Lorsque ce circuit externe est installé, la dynamo peut produire du courant, elle génère des particules qui se chargent près du trou noir suite à l’interaction du rayonnement avec les particules déjà présentes alentour. Un quasar peut ainsi se former dans le noyau des galaxies actives (AGNs).

- Rayons cosmiques intenses. Les rayons cosmiques les plus intenses détectés sur Terre (>5.7x1018 eV) ont été tracés jusqu'au coeur des galaxies actives et sont émis par des trous noirs supermassifs, les seuls astres capables de produire une énergie d'une telle intensité par leur disque d'accrétion et le phénomène dynamo.

- Condensation du gaz froid. Le jet bipolaire émis par un trou noir supemassif forme à grandes distances de vastes lobes creusant des cavités dans le plasma chaud composant les galaxies. Généralement, ces bulles très énergétiques en expansion rapide empêchent le gaz chaud de se refroidir et la formation d'étoiles. Grâce au réseau de radiotélescopes ALMA, en 2017 Helen R. Russell de l'Institut d'Astronomie de l'Université de Cambridge (AST/CAM) et son équipe ont étudié un AGN situé au centre de l'amas du Phoenix SPT-CLJ2344-4243 situé à 5.7 milliards d'années-lumière contenant environ 1000 galaxies. Comme on le voit ci-dessous, ils ont découvert qu'il présentait un immense jet bipolaire. Cette émission est produite par un trou noir supermassif d'environ 20 milliards de M.

A voir : Phoenix Cluster AGN

A gauche, image composite du jet bilaire du trou noir supermassif situé au centre d'une galaxie à noyau actif (AGN) de l'amas de Phoenix. Le halo bleu clair représente le rayonnement X, les deux cavités de gaz chaud sont en bleu foncé, le gaz froid formant des étoiles est en rouge et l'arrière-plan est l'image visible. Au centre, le gaz moléculaire froid cartographié par ALMA. Les filaments sont créés par les jets émis par le trou noir supermassif. A droite, la représentation schématique. Voir également la vidéo ci-dessus. Documents CXC/ALMA/ESO/MIT.

Comme on le voit sur le schéma ci-dessus à droite, les pourtours inférieurs de la cavité sont formés de filaments de gaz moléculaire froid de monoxyde de carbone (CO) s'étirant jusqu'à 82000 années-lumière. Autrement dit, un effet secondaire de ce jet est de condenser le gaz autour de la cavité au point de former des milliards d'étoiles. Ce réservoir de gaz est tellement productif qu'il donne actuellement naissance entre 500 et 800 étoiles par an. Plus étonnant, ce gaz froid "retombe" sur le trou noir, réalimentant le réservoir de gaz jusqu'à épuisement. On estime qu'il pourrait produire environ 10 milliards d'étoiles !

- Formations d'étoiles dans le disque d'accrétion. Depuis le début des années 2000 environ, les astronomes ont découvert que des étoiles massives se formaient dans le disque de poussières entourant notamment Sgr A*, située au centre de la Voie Lactée. Deux modèles ont été proposés pour tenter d'expliquer ce phénomène.

Selon le modèle standard de formation stellaire à partir d'un disque, c'est la forte gravité régnant dans le disque dense de poussières qui résiste aux forces de marée du trou noir, permettant aux étoiles de se former et de briller durant quelques centaines de millions à quelques milliards d'années tout au plus. Selon le modèle dit de la migration, environ un million d'étoiles de masses comparables à celle du Soleil seraient présentes à l'intérieur et autour du disque de poussières, alors que dans le modèle du disque, la quantité d'étoiles de faible masse est beaucoup plus faible. Or, selon des observations de Sgr A* faites par Nayakshin et Rashid Sunyaev de l'Institut Max Planck, comparé aux émissions X de la nébuleuse d'Orion, celles émises par les amas stellaires de Sgr A* correspondraient à environ 10000 étoiles solaires. La théorie de la migration n'est donc pas valable.

Selon Sunyaev, les étoiles présentes aujourd'hui autour de Sgr A* n'ont pas été emmenées à cet endroit par un amas ouvert passant dans la région, mais elles sont bien nées sur place, ce qui étonna les astronomes. Cette découverte d'une progéniture d'étoiles en formation autour d'un trou noir supermassif bouleverse la proportion d'étoiles qu'on estimait en formation dans de telles régions. Nous reviendrons en détails sur Sgr A* et le trou noir supermassif de la Voie Lactée.

Aujourd'hui il semble évident que beaucoup plus d'étoiles massives se forment dans les disques d'accrétion entourant les trous noirs supermassifs. Finalement, lorsque ces étoiles exploseront en supernova, elles viendront "fertiliser" la région en éléments lourds tels que l'oxygène et les métaux. Cela pourrait expliquer les grandes quantités de tels éléments qu'on observe dans les disques entourant les jeunes trous noirs supermassifs.

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Les candidats au titre de trou noir

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