Il y a près de 40 ans, les deux astrophysiciensastrophysiciens des relativistes comme Brandon Carter et Jean-Pierre LuminetJean-Pierre Luminettous deux à l’Observatoire de Paris à l’époque, furent les pionniers de ce qu’on appelle en anglais le phénomène de MaréeMarée événement de perturbation (ou TDE), que l’on peut traduire par « événement de rupture de marée ».
Comme le montre leur publication dans la célèbre revue Nature en 1982, suivi d’un autre en Astronomie et astrophysique en 1983, un TDE s’est produit avec une étoile dont la trajectoire trop proche d’un trou noir supermassif a amené ses forces de marée à comprimer l’étoile jusqu’à produire ce qu’ils ont appelé une crêpe stellaire – en raison de la forme de la déformation provoquée par ces forces. L’étoile pourrait finir par exploser en réponse et ses débris furent donc en partie engloutis par leétoileétoile compact.
Mais avant ce destin final, le matièrematière tomber sur le trou noir doit produire un disque d’accrétiondisque d’accrétion émettant lui-même lumièrelumière car chauffé par le processus d’accrétion, donnant en plus un plasma avec des courants et champs magnétiqueschamps magnétiques où les instabilités liées à l’approvisionnement en matière peuvent conduire à des sortes d’équivalents de éruptions solaireséruptions solaires avec le plasma de notre étoile.
Vue d’artiste d’un TDE. © Synchrotron électronique allemand
TDE étudiés avec les rayons X
Ce n’est pas la première fois que Futura parle des TDE, plusieurs ont été observés au cours de la décennie précédente notamment. Mais aujourd’hui, une équipe internationale deastronomesastronomes du MIT, NasaNasa et d’autres organismes viennent de le faire savoir via une publication dans la revue renommée Nature et qui peut également être consulté gratuitement sur arXivqu’une nouvelle méthode pour déterminer le vitesse de rotationvitesse de rotation de la trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs au coeur des grands galaxiesgalaxies et qui coévoluent avec eux ont été utilisés avec succès pour la première fois.
La méthode consiste à découvrir d’abord un TDE en surveillant une région de la voûte céleste, puis à suivre l’évolution lumineuse ultérieure de la matière de l’étoile alors engloutie par le trou noir géant derrière le TDE. C’est donc ce qu’ont fait les chercheurs dans un premier temps en détectant dans le domaine visible, en 2020, un TDE baptisé AT2020ocn et survenant autour d’un milliard d’individus.Années lumièreAnnées lumière de la voie Lactéevoie Lactée grâce aux instruments équipant le Installation transitoire de Zwicky.
Il fallait alors surveiller émissionsémissions dans Rayons XRayons X du disque d’accrétion s’étant formé autour du trou noir supermassif avec le télescopetélescope Radiographie plus agréable (abréviation de NeutronNeutron étoile Composition intérieure Explorer)) de la NASA à bord de la Station spatiale internationale pendant plus de 200 jours après la détection d’AT2020ocn.
Comme l’explique le communiqué de presse du MIT rédigé par Jennifer Chu, en analysant les données collectées, les astrophysiciens ont extrait le signal qu’ils espéraient trouver, en l’occurrence des éclats de rayons X tous les 15 jours environ au cours d’un cycle transitoire.
Techniquement, l’existence des sursauts se comprend très bien si l’on met en jeu un effet prédit par la théorie de relativité généralerelativité générale d’EinsteinEinstein il y a presque un siècle, et appelé effet Lense-Thirringeffet Lense-Thirring. Cela provoque l’oscillation du disque d’accrétion du trou noir, qui adopte plus précisément une précessionprécessioncomme le montre la vidéo ci-dessous.
Un trou noir supermassif entraîne l’espace-temps autour de lui après avoir déchiré une étoile. Pour obtenir une traduction française assez précise, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © BlackHoleExplosions
Mais comment passe-t-on de ce phénomène de précession à une détermination de la vitesse de rotation d’un trou noir qui dans ce cas est estimée à moins de 25% de la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière ?
Commençons par quelques explications supplémentaires tirées de la vidéo ci-dessus qui suppose d’abord l’existence d’un trou noir supermassif en rotation de Kerr entouré d’un disque d’accrétion perpendiculaire à son axe de rotation. Une étoile s’approche alors trop près de ce trou noir depuis une direction arbitraire, de sorte que la matière capturée par le trou noir suite à une TDE avec l’étoile forme un deuxième disque d’accrétion plus proche mais qui n’est plus perpendiculaire à l’axe de rotation du trou noir.
Disques plongés dans l’espace entraînés par la rotation des trous noirs
Les calculs de relativité générale prenant en compte l’effet Lense-Thirring (voir explications plus détaillées à ce sujet ci-dessous) montrent que l’espace autour du trou noir dans une certaine région est « piloté » par la rotation du trou noir. Cela provoque la précession du nouveau disque d’accrétion et tend à le rendre perpendiculaire à l’axe de rotation du trou noir, ce qui finit par se produire et supprime finalement la précession. Le disque chauffant, émettant toujours des rayons X, ne se comporte plus comme un phare pour Nicer.
Les mêmes calculs relient la vitesse de précession du disque à celle de rotation du Trou noir de KerrTrou noir de Kerr. Sachant cela, les astrophysiciens ont cherché un TDE pour appliquer cette méthode de détermination de la vitesse de rotation.
D’accord, dira le lecteur, mais nous sommes bien avancés dans la mesure de la vitesse de rotation des trous noirs supermassifs…
En fait, oui. On sait que la croissance de ces étoiles compactes se fait de concert avec les galaxies qui les hébergent et qu’il existe des relations entre l’évolution des galaxies, leur contenu en gazgaz utilisable pour former de nouvelles étoiles par exemple, et l’histoire de la croissance des trous noirs supermassifs.
Mieux comprendre cette histoire, c’est mieux comprendre celle des galaxies. Or, si l’on fait essentiellement croître les trous noirs géants en faisant tomber sur eux des courants froids de matière, l’accrétion se fera selon le disque et donc selon la loi de conservation de l’espace. moment cinématographiquemoment cinématographiquela rotation des trous noirs augmentera avec le temps.
D’un autre côté, si nous faisons croître ces trous noirs, ce n’est essentiellement pas fusionfusion répété induit par les fusions de galaxies, nous aurons coalescencescoalescences de trous noirs avec des moments cinétiques de rotation selon des axes arbitrairement orientés les uns par rapport aux autres. Il sera donc plus difficile d’obtenir des trous noirs supermassifs en rotation rapide. En clair, avec des statistiques significatives mesurant la vitesse de rotation de ces trous noirs, nous pouvons mieux contraindre les modèles d’évolution des galaxies. Heureusement, nous pourrons à cet effet détecter un grand nombre de galaxies en explorant les couchescouches de lumière du cosmoscosmos observables à différents moments et présentant des TDE en leur sein avec le télescope Vera Rubin.
Qu’est-ce que l’effet Lense-Thirring ?
C’est fin 1915 qu’Albert Einstein met fin à sa célèbre théorie de la relativité générale. Blindé avecéquationséquations tensorielle avec des forêts d’indices et utilisant la géométrie des espaces courbes à n dimensions, la théorie semblait redoutable à beaucoup. La légende raconte qu’Arthur Eddington, le célèbre astrophysicien qui a fourni la première preuve de la théorie de la relativité générale, s’est fait dire ainsi par l’un de ses collègues : « Eddington, tu dois être l’un des trois hommes sur Terre pour comprendre la théorie d’Einstein « . Face au silence de Sir Arthur, il a ajouté : « Ne sois pas modeste Eddington », et l’astrophysicien répond : « Au contraire ! Je cherche qui pourrait être ce troisième homme ! ».
Certes, la sentence attribuée à Sir Arthur n’était pas du tout le reflet de la réalité car à partir de 1916, plusieurs physiciensphysiciensles astronomes et mathématiciensmathématiciens a commencé à publier des ouvrages importants sur le sujet. Il y eut d’abord Karl Schwarzschild, qui découvrit sa fameuse solution contenant élongationélongation la théorie des trous noirs, ainsi que l’astronome néerlandais Willem De Sitter qui a prédit ce que nous appelons aujourd’hui leEffet Einstein-De SitterEffet Einstein-De Sitter.
Quelques années plus tard, deux physiciens autrichiens, Josef Lense et Hans Thirring, découvrent une implication curieuse mais logique de la théorie d’Einstein : la rotation d’un objet génère un effet particulier sur laespace-tempsespace-temps qui l’entoure. En effet, selon le principe d’équivalence à la base de la théorie d’Einstein, il n’est pas possible de savoir localement si l’on est au repos dans un champ de gravitationgravitation ou dans un dépôtdépôt accéléré, par exemple à l’intérieur d’un fuséefusée.
Toujours localement, on ne doit pas, d’une certaine manière, distinguer l’accélération subie par un objet sur un disque en rotation et celle générée sur cet objet par le champ de la gravitéla gravité d’un corps en rotation (sans le disque) dans un référentiel au repos autour de ce corps. Tout se passe donc comme si l’espace et ce référentiel étaient dessinés dans un mouvementmouvement rotation, comme l’effet d’un tourbillontourbillon dans l’eau. Il en résulte notamment qu’un gyroscopegyroscope dans orbiteorbite autour de la Terre subira des changements de direction de son axe initialement pointé vers une étoile, comme si elle se trouvait dans un référentiel tournant. Plus précisément, l’équivalent du processus de précession d’une toupie se produira. Connu sous le nom d’effet Lense-Thirring, ce phénomène a finalement été révélé grâce à l’expérience à bord du satellite Gravity Probe B en 2011.
L’effet est faible, presque inobservable, mais il constitue une prédiction intéressante de la théorie de la relativité générale, un effet qui peut même être différent selon les théories métriques concurrentes de la gravitation proposées à la place de celle d’Einstein. C’est pourquoi la mission spatiale a été lancée en 2004 pour en faire l’expérience.
Conférence plénière donnée par Jean-Pierre Luminet sur sa théorie de Événement de perturbation des marées (ou TDE) lors de la Conférence » La science à l’horizon : le télescope Event Horizon de nouvelle génération », 22-26 février 2021. Université Harvard. Pour obtenir une traduction française assez précise, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Jean-Pierre Luminet
