2024-05-21 10:00:33
Les scientifiques ont confirmé, pour la première fois, que la structure même de l’espace-temps fait un « plongeon final » au bord d’un trou noir.
L’observation de cette région plongeante autour des trous noirs a été réalisée par des astrophysiciens de l’université d’Oxford et permet de valider une prédiction clé de la théorie de la gravité d’Albert Einstein de 1915 : la relativité générale.
L’équipe d’Oxford a fait cette découverte en se concentrant sur les régions entourant les trous noirs de masse stellaire dans des binaires avec des étoiles compagnons situées relativement près de la Terre. Les chercheurs ont utilisé des données de rayons X collectées à partir d’une gamme de télescopes spatiaux, notamment le réseau de télescopes spectroscopiques nucléaires de la NASA (NuSTAR) et l’explorateur de composition intérieure des étoiles à neutrons (NICER) monté sur la Station spatiale internationale.
Ces données leur ont permis de déterminer le sort du gaz et du plasma ionisés chauds, extraits d’une étoile compagnon, plongeant une dernière fois au bord même de son trou noir associé. Les résultats ont démontré que ces régions dites plongeantes autour d’un trou noir sont l’emplacement de certains des points d’influence gravitationnelle les plus puissants jamais observés dans notre galaxie, la Voie lactée.
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«Il s’agit du premier aperçu de la façon dont le plasma, décollé du bord extérieur d’une étoile, subit sa chute finale au centre d’un trou noir, un processus se déroulant dans un système situé à environ 10 000 années-lumière», a déclaré le chef de l’équipe de physique de l’Université d’Oxford. a déclaré le scientifique Andrew Mummery dans un communiqué. «La théorie d’Einstein prédisait que cette chute finale existerait, mais c’est la première fois que nous sommes capables de démontrer que cela se produit.
«Pensez-y comme à une rivière qui se transforme en cascade : jusqu’à présent, nous avons regardé la rivière. C’est la première fois que nous voyons la cascade.»
D’où vient la plongée du trou noir ?
La théorie de la relativité générale d’Einstein suggère que les objets ayant une masse provoquent la déformation du tissu même de l’espace et du temps, unis en une seule entité à quatre dimensions appelée « espace-temps ». La gravité résulte de la courbure qui en résulte.
Bien que la relativité générale fonctionne en 4D, elle peut être vaguement illustrée par une analogie grossière en 2D. Imaginez placer des sphères de masses croissantes sur une feuille de caoutchouc étirée. Une balle de golf provoquerait une petite entaille presque imperceptible ; une balle de cricket entraînerait une bosse plus grande ; et une boule de bowling une énorme bosse. C’est analogue aux lunes, planètes et étoiles qui « endommagent » l’espace-temps 4D. À mesure que la masse d’un objet augmente, la courbure qu’il provoque augmente également et, par conséquent, son influence gravitationnelle augmente. Un trou noir serait comme un boulet de canon sur cette feuille de caoutchouc analogue.
Avec des masses équivalentes à des dizaines, voire des centaines de soleils comprimées sur une largeur autour de celle de la Terre, la courbure de l’espace-temps et l’influence gravitationnelle des trous noirs de masse stellaire peuvent devenir assez extrêmes. Les trous noirs supermassifs, en revanche, sont une toute autre histoire. Ils sont extrêmement massifs, avec des masses équivalentes à des millions, voire des milliards de soleils, éclipsant même leurs homologues de masse stellaire.
Une étoile « normale » est dans un système binaire avec un trou noir dont la masse va de la première à la seconde (Crédit image : ICRAR)
Comprendre la physique de la matière dans cette hypothétique région plongeante d’un trou noir est un objectif des astrophysiciens depuis un certain temps. Pour résoudre ce problème, l’équipe d’Oxford a étudié ce qui se passe lorsque des trous noirs existent dans un système binaire avec une étoile « ordinaire ».
Si les deux sont suffisamment proches, ou si cette étoile est légèrement gonflée, l’influence gravitationnelle du trou noir peut arracher la matière stellaire. Étant donné que ce plasma est doté d’un moment cinétique, il ne peut pas tomber directement vers le trou noir. Il forme donc un nuage tournant aplati autour du trou noir appelé disque d’accrétion.
À partir de ce disque d’accrétion, la matière est progressivement acheminée vers le trou noir. Selon les modèles d’alimentation des trous noirs, il devrait y avoir un point appelé orbite circulaire stable la plus interne (ISCO) – le dernier point où la matière peut rester en rotation stable dans un disque d’accrétion. Toute matière située au-delà se trouve dans la « région de plongée » et commence sa inévitable descente vers la gueule du trou noir. Le débat quant à savoir si cette région en plongée pourrait un jour être détectée a été réglé lorsque l’équipe d’Oxford a découvert des émissions juste au-delà de l’ISCO de disques d’accrétion autour d’un trou noir binaire de la Voie lactée appelé MAXI J1820+070.
Observations de l’éblouissement des rayons X de l’étoile binaire à trou noir MAXI J1820+070 vue par le télescope spatial Chandra. (Crédit image : NASA/Chandra)
Situé à environ 10 000 années-lumière de la Terre avec une masse d’environ huit soleils, le composant trou noir de MAXI J1820+070 extrait la matière de son compagnon stellaire tout en projetant des jets jumeaux à environ 80 % de la vitesse de la lumière ; il produit également de fortes émissions de rayons X.
L’équipe a découvert que le spectre des rayons X de MAXI J1820+070 dans une explosion « à l’état mou », qui représente l’émission d’un disque d’accrétion entourant un trou noir en rotation, ou « Kerr », — un disque d’accrétion complet, y compris le trou noir plongeant. région.
Les chercheurs affirment que ce scénario représente la première détection robuste d’une émission provenant d’une région plongeante située au bord intérieur d’un disque d’accrétion de trou noir ; ils appellent ces signaux « émissions intra-ISCO ». Ces émissions intra-ISCO confirment l’exactitude de la relativité générale dans la description des régions immédiatement autour des trous noirs.
Pour donner suite à ces recherches, une équipe distincte du département de physique d’Oxford collabore avec une initiative européenne visant à construire le télescope millimétrique africain. Ce télescope devrait améliorer la capacité des scientifiques à capturer des images directes de trous noirs et permettre de sonder les régions plongeantes de trous noirs plus éloignés.
«Ce qui est vraiment excitant, c’est qu’il existe de nombreux trous noirs dans la galaxie, et nous disposons désormais d’une nouvelle technique puissante pour les utiliser afin d’étudier les champs gravitationnels les plus puissants connus», a conclu Mummery.
Les recherches de l’équipe sont publiées dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
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