Tout savoir sur les trous noirs supermassifs et actualités

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Plus de détails sur la forte activité du trou noir supermassif Sagittarius A*

— Actualités du 29 septembre 2019 —

Sagittarius A*, le trou noir central de la Voie Lactée, est habituellement assez calme, tout du moins pour un trou noir de plusieurs millions de masses solaires. Il est surveillé de manière régulière depuis un quart de siècle et nous avait habitué à une faible activité. Pourtant en mai 2019, sa luminosité a fortement augmenté pendant quelques heures. Il est devenu 75 fois plus lumineux que d’habitude.

Pour expliquer cette forte activité, on pense que de la matière a chuté vers son horizon des événements, soumit à la forte gravité du trou noir. La matière est accélérée et chauffée de manière prodigieuse, ce qui s’accompagne d’un flash de rayonnement thermique. En 2018, une des étoiles orbitant Sagittarius A* appelé S2 est passée au plus près de lui. Elle a peut-être éjecté des gaz et de la poussière qui ont mis quelques mois supplémentaires avant d’atteindre l’horizon des événements.

Un autre suspect connu sous le nom de G2 pourrait être responsable. G2 est probablement une étoile binaire. Bien qu’on n’en soit pas certain, l’objet a effectué un passage rapproché autour de Sagittarius A* en 2014. Là encore, on pourrait supposer qu’il a perdu de la matière qui a mis quelques années supplémentaires avant d’atteindre le trou noir.

Un autre objet qu’on est incapable de voir, par exemple un groupe d’astéroïdes, ferait aussi un bon candidat. Il reste maintenant à savoir si ce regain d’activité et ponctuel ou s’il signale le début d’un nouveau cycle pour Sagittarius A*. En 2019, deux autres piques lumineux ont été observés, bien que moins intenses que ceux observés le 13 mai 2019. Le trou noir central de notre galaxie est donc peut être en train d’accélérer le rythme de ses repas. C’est en tout cas l’occasion d’étudier la manière dont l’activité des trous noirs supermassifs peut évoluer et l’impact que cela a sur leurs galaxies hôtes.





Le comportement inhabituel du trou noir supermassif au centre de la Voie Lactée

— Actualités du 20 août 2019 —

Avant d’en arriver là, Sagittarius A* n’est pas près de se faire oublier. Le trou noir supermassif situé au centre de la Voie Lactée vient de piquer une grosse colère. Observé presque en continu depuis 20 ans, ce trou noir supermassif nous avait habitué à un comportement plutôt stable. Pourtant, pendant quelques heures, sa luminosité dans le proche infrarouge a été multiplié par 75. L’événement a été observé le 13 mai par l’observatoire Keck situé à Hawaï.

Sagittarius A* a déjà connu quelques éruptions de ce type mais jamais d’une telle intensité. Plusieurs explications sont évoquées. Il s’agit peut être d’une variation normale mais rare pour le trou noir supermassif. Il faudrait donc inclure ce type d’événement dans les modèles de son comportement. Mais il existe une autre possibilité.

L’environnement immédiat du trou noir a peut être connu une perturbation. On sait que Sagittarius A* est orbité de très près par quelques étoiles et des nuages de poussière. Leur fragile équilibre gravitationnel a pu être perturbé, ce qui aurait entraîné une chute de matière dans le disque d’accrétion du trou noir, et le pic de luminosité observé. On comprendra probablement mieux ce type d’événement en continuant la surveillance de Sagittarius A*, voire même en produisant une image de son horizon des événements.

Un trou noir supermassif de 40 milliards de masses solaires au centre de la galaxie Holmberg 15A

— Actualités du 20 août 2019 —

La Voie Lactée est une galaxie plutôt grande et massive comparée à celles qu’on peut observer autour de nous. En son centre, une source radio très puissante nous indique la présence d’un trou noir supermassif d’une masse estimée à 4 millions de fois celle du soleil. Si ces chiffres vous donnent le vertige, vous allez adorer faire connaissance avec le trou noir supermassif qui siège au centre de la galaxie Holmberg 15A, qui évolue à 700 millions d’années-lumière du système solaire.

Cette galaxie est qualifiée de galaxie super géante. Bien plus grande et massive que la Voie Lactée, son trou noir central est donc lui aussi plus imposant que Sagittarius A*. Sa masse a été estimé à plusieurs reprises par des méthodes indirectes. Les estimations s’étalent de 2 à 310 milliards de masses solaires.

Pour mieux cerner ce monstre cosmique, une équipe d’astronomes l’a observé pendant deux nuits à l’aide de l’instrument MUSE installé sur le Very Large Telescope (VLT) au Chili. Cela leur a permis d’estimer les vitesses de rotation des étoiles évoluant près de ce trou noir. C’est une mesure plus directe et donc plus précise que celles effectuées auparavant.

Armés de cette information, ils ont modélisé sa masse et sont arrivés au chiffre ahurissant de 40 milliards de masses solaires. C’est un trou noir dix mille fois plus massif que le géant qui se cache au centre de la Voie Lactée. A cette échelle, certains astronomes préfèrent parler de trou noir ultra massif.

On estime que le plus gros d’entre eux est celui qui se cache au sein de la galaxie TON 618. Sa masse est estimée à 66 milliards de masses solaires. La méthode de mesure est cependant moins fiable que pour Holmberg 15A. Il pourrait donc perdre sa couronne au gré de nouvelles estimations.

Il reste à comprendre comment des trous noirs supermassifs ont pu atteindre une masse aussi démentielle. Holmberg 15A pourrait être le résultat de la fusion de deux ou de plusieurs grandes galaxies. On peut alors se demander s’il ya une limite à ce processus d’accrétion. Peut-être qu’un jour on découvrira des trous noirs de plusieurs centaines de milliards de masses solaires.

La première photo d’un trou noir supermassif a été dévoilée

— Actualités du 11 avril 2019 —

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L’Event Horizon Telescope réussit un exploit de précision

L’Event Horizon Telecope a dévoilé la première photo d’un trou noir situé au centre de la galaxie M87. C’est un trou noir supermassif très actif. Il est situé à environ 55 millions d’années-lumière de chez nous. On estime que son horizon des événements s’étend sur une distance de 1,5 jours-lumière. Ce très grand diamètre est dû à sa masse équivalente à 6,5 milliards de fois la masse du soleil.

Le rayon apparent est d’environ 10 microsecondes d’arc. Quand vous observez la Lune depuis le sol, elle a un diamètre angulaire d’un demi degré, c’est-à-dire que l’angle formé par ces deux bords et vos yeux prend cette valeur. En astronomie, on observe des objets tout petits. Le rayon angulaire est souvent très inférieur à 1 degré. On utilise donc des unités plus précises pour décrire ces angles minuscules.

Une minute d’arc représente un soixantième de degrés et une seconde d’arc représente un soixantième d’une minute d’arc. Un objet qui fait une seconde d’arc apparaît donc minuscule. Il faut pourtant encore diviser cet angle par cent mille pour représenter le rayon du trou noir central de M87 vu depuis la Terre.

En comparaison, le trou noir supermassif au centre de la galaxie M87 nous apparaît donc des dizaines de millions de fois plus petit que la Lune. Ce type d’observation dépasse largement les capacités de James Webb Telescope ou même des meilleurs interféromètres optiques. C’est pourquoi il a fallu créer un immense interféromètre radio dont les lignes de base s’étendent sur des milliers de kilomètres.

Le trou noir supermassif de M87 confirme la théorie d’Einstein

L’Event Horizon Telescope n’a pas réellement cherché à voir le trou noir supermassif. En effet, un trou noir ne laisse aucune information s’échapper. Il n’y a donc littéralement rien à voir, ni dans le domaine optique ni dans le domaine radio. Les environs immédiats d’un trou noir sont en revanche très intéressants et n’avaient jamais pu être observés directement. On a imagé et simulé les phénomènes physiques qui ont lieu à proximité des trous noirs. C’est ce qui a généré les représentations de trous noirs qu’on peut voir dans des films comme Interstellar.

Pour créer cette superproduction hollywoodienne, une équipe de trente scientifiques ont travaillé pendant un an à l’aide de milliers d’ordinateurs. Leurs travaux de recherche et de simulation ou même abouti sur une publication scientifique. Même si dans ce film le trou noir a été modifié par rapport aux résultats des simulations, c’est une bonne représentation de ce qu’on verrait si on était à proximité d’un trou noir.

Les scientifiques qui travaillent sur l’Event Horizon Telescope ont développé d’autres simulations basées sur la relativité générale d’Einstein, qui est la théorie qui décrit notre compréhension de l’espace, du temps et de la gravitation. Les observations de l’Event Horizon Telescope sont aussi un test. Le véritable intérêt du projet est de tester la théorie d’Einstein formulée il y’a plus de 100 ans dans les conditions les plus extrêmes qu’on connaisse. Il y aussi beaucoup d’informations à collecter dans le trou noir supermassif de la galaxie M87, comme les phénomènes qui génèrent son disque d’accrétion.

Comment interpréter cette première image d’un trou noir supermassif ?

Cette simple image d’un trou noir supermassif plutôt peut sembler un peu fade en comparaison au trou noir du film Interstellar. Elle donne pourtant des informations très importantes. Elle confirme que les trous noirs existent. On avait des preuves allant dans ce sens, surtout depuis l’émergence de l’astronomie en ondes gravitationnelles. Maintenant, c’est sûr que les trous noirs existent. Ces objets prédits par la physique depuis des décennies ont enfin été imagés. On est aussi maintenant sûrs que le centre de la plupart des galaxies est occupé par un trou noir supermassif.

L’image du trou noir supermassif au centre de la galaxie M87 correspond exactement à ce qu’on s’attendait à voir. L’anneau lumineux, le disque d’accrétion du trou noir, est composé de matières chauffées à des millions de degrés par l’extraordinaire champ gravitationnel du trou noir. Ces matières circulent autour du trou noir à une fraction de la vitesse de la lumière. La partie basse de cet anneau apparaît plus brillante que la partie haute car la matière qui circule dans l’anneau subit l’effet Doppler. La partie en mouvement vers nous subit un décalage vers le bleu et nous apparaît plus brillantes, tandis que la partie qui s’éloigne de nous subit un décalage vers le rouge. Cette surbrillance est donc uniquement dûe à la position de l’observateur. Le disque d’accrétion du trou noir supermassif est en réalité probablement homogène.

Sur cette image nous voyons le le trou noir central de M87 depuis une position proche d’un de ses pôles. C’est pourquoi nous ne voyons pas le disque d’accrétion traverser la zone d’ombre comme dans le célèbre trou noir du film Interstellar. Au milieu de cette zone d’ombre se situe l’horizon des événements, invisible. Son diamètre est inférieur à celui de la tâche centrale. Au bord de celle-ci se situe la dernière orbite stable autour du trou noir. Toute la matière qui franchit cette limite fini par chuter assez rapidement vers l’horizon des événements. C’est un point de non retour au-delà duquel plus rien ne peut s’échapper.

Rendez-vous en 2020 pour une deuxième photo

Le trou noir central de M87 est absolument gigantesque. L’ensemble de notre système solaire pourrait tenir dans sa zone d’ombre. Sagittarius A*, le trou noir supermassif de la Voie Lactée, est l’autre cible de l’Event Horizon Telescope. On pourrait découvrir la première image de Sagittarius A* dans les semaines ou les mois qui viennent.

Ce n’est malheureusement pas simple d’organiser les observations de l’Event Horizon Telescope. L’idée d’imager l’ombre d’un trou noir grâce à l’interférométrie radio à très longue ligne de base a été formulé en 1999. Il a donc fallu vingt ans de travail pour parvenir à ce résultat, dont deux ans rien que pour traiter les données de la séquence d’observation de 2017. Depuis, les huits radiotélescope du projet n’ont pas fonctionné de nouveau ensemble. Les conditions météorologiques étaient mauvaises en 2018 et le run observations de 2019 a dû être annulé suite à des difficultés techniques.

La bonne nouvelle est que l’expérience sera à nouveau tentée à partir de 2020, avec de nouveaux observatoires en complément de ceux déjà utilisés, ce qui devrait permettre d’améliorer la résolution des images. Seuls les trous noirs supermassifs sont assez brillants pour pouvoir être imagés par un tel dispositif. M87 et Sagittarius A* seront donc encore longtemps des cibles privilégiées.

Le Very Large Telescope tente d’identifier un trou noir supermassif

— Actualités du 7 août 2018 —

Depuis un peu plus d’un siècle, la théorie de la relativité générale a remplacé la loi de l’attraction universelle dans notre compréhension de la gravité. Dans l’immense majorité des cas, les deux théories font des prédictions semblables. Il est donc possible d’expliquer les mouvements de la plupart des corps célestes en ayant uniquement recours à la gravitation newtonienne. Mais quand les masses et les vitesses deviennent trop importantes, les effets relativistes ont un impact. Seule la théorie d’Einstein permet alors de faire des prédictions correctes. Pour le moment, on n’a pas réussi à contredire la relativitié générale. Cette théorie vient même de passer avec succès un nouveau test le 27 juillet dernier.

Les prédictions de la relativité générale se vérifieraient essentiellement dans des environnements extrêmes, comme celui d’un trou C’est en tout cas la réflexion d’un consortium de chercheurs réunis autour de l’expérience Gravity. Au centre de notre galaxie se trouve une source radio intense appelée Sagittarius A*. On l’associe justement à un trou noir supermassif. Il est impossible d’observer ce trou noir directement puisque par définition les trous noirs ne laissent aucune onde électromagnétique s’échapper. Le consortium Gravity s’est donc concentré sur la trajectoire d’une étoile à proximité immédiate du trou noir, appelée S2. Cette étoile est prisonnière du champ gravitationnel monstrueux de Sagittarius A* lorsqu’elle s’approche au plus près du trou noir supermassif. Sa vitesse orbitale atteint 8 0000 kilomètres par seconde, une vitesse suffisante pour rendre détectable les effets prédits par la théorie de la relativité générale.

Les immenses miroirs des télescopes du Very Large Telescope (VLT) et leurs instruments de pointe ont donc utilisés pour suivre S2 avec une précision jamais atteinte. La théorie d’Einstein prédit que les forts champs gravitationnels produisent un décalage vers le rouge des sources lumineuses la traversant. Ce décalage vers le rouge est dû à la contraction des longueurs subies par les objets en déplacement. Cette contraction affecte même les longueurs d’onde et donc la lumière observée. Un tel décalage vers le rouge du champ gravitationnel d’un trou noir n’avait jamais été observé. C’est maintenant le cas, l’observation s’est conformé à la théorie avec la plus grande précision.

Cette expérience vient encore renforcer la théorie de la relativité générale. C’est évidemment une bonne nouvelle car un des piliers fondamentaux de la physique moderne paraît encore plus inébranlable. Mais pour certains physiciens théoriciens, il s’agit aussi d’une petite déception car une faille même infime de la théorie de la relativité générale pourrait ouvrir la voie à une nouvelle physique et à de nouveaux paradigmes. Mais ce n’est pas aujourd’hui que la relativité d’Einstein sera remise en cause.

En plus des mesures de décalage vers le rouge de S2, le consortium Gravity a aussi mesuré la trajectoire de l’étoile, des observations qui n’ont pas encore été publiées. Elles devraient permettre de mieux connaitre la distribution de la masse à proximité du trou noir. Ce sera peut être une chance de comprendre un peu mieux ce qui se passe dans cet environnement extrême. Ce sera également l’occasion de confronter ces résultats à ceux d’un autre projet qui a lui aussi mené des observations de l’environnement immédiat du trou noir central de la voie lactée. Avec un peu de chance, Sagittarius A* révélera donc quelques-uns de ses secrets avant la fin de l’année.

Une dizaine de trous noirs supermassifs se promèneraient dans la Voie Lactée

— Actualités du 8 mai 2018 —

Les trous noirs supermassifs viennent de faire l’objet d’une étude fascinante, et aussi effrayante. On associe traditionnellement ces trous noirs au centre des galaxies. On n’est pas encore certain de la manière dont ils se forment. Sont-ils nés dans la jeunesse de l’univers ou se sont-ils formés lentement en dévorant les étoiles les unes après les autres ? Sagittarius A * se situe à plus de 25000 années-lumière de la Terre mais depuis quelques années on se rend compte qu’il existe probablement des trous noirs supermassifs nomades. Les premières preuves sont arrivées grâce au télescope spatial Chandra. Les trous noirs supermassifs seraient issus de fusions entre galaxies. Mais cela n’entraîne pas toujours la fusion des trous noirs, surtout s’il ya une grosse différence de masse entre eux. Le moins massif peut se retrouver à orbiter autour du plus massif.

Une nouvelle étude publiée à la fin du mois dernier dans la revue Astrophysical Journal Letters suggère que ce type de trous noirs serait en fait assez fréquent, même au sein de la Voie Lactée. L’étude s’appuie sur une simulation réalisée à l’aide d’un super-ordinateur. En reproduisant des galaxies d’une masse proche de la Voie Lactée, les calculs affichent en moyenne une douzaine de trous noirs supermassifs pour chacune de ces galaxies, quel que soit l’historique de fusion de la galaxie hôte. Sagittarius A * aurait donc une dizaine de cousins qui se promènent dans la Voie Lactée. Mais il semble que notre système solaire n’est pas en danger car les auteurs de l’étude estiment que de tels trous noirs devraient approcher de notre système solaire en moyenne tous les 100 milliards d’années, presque dix fois l’âge de l’univers. Si la Voie Lactée possède autant de trous noirs supermassifs, alors pourquoi ne les a-t-on jamais observé ? L’équipe à l’origine de l’étude pense que ce type de trous noirs se tiendrait assez éloigné du centre de la galaxie. Ils ne pourraient donc pas s’entourer d’un nuage de gaz et resteraient complètement noirs.

Pour voir si la simulation est réaliste, il faudra pourtant réussir à faire des observations dans notre galaxie ou dans une autre galaxie. Ces objets de plusieurs centaines de milliers de masses solaires doivent laisser quelques traces qu’on finira par détecter. C’est peut-être l’opportunité d’étudier le passé de notre galaxie et de comprendre les événements qui lui ont permis de se former. Mais en attendant il faut déjà essayer de comprendre un peu mieux Sagittarius A * car même si on ne peut pas voir ce trou noir, on sait au moins où chercher.

Image by NASA/JPL-Caltech [Public domain], via Wikimedia Commons

Sources

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