Les trous noirs tordent notre compréhension de l'Univers et des lois de la physique. Au fur et à mesure que le trou noir tourne, il entraîne l'espace environnant avec lui et donne aux astronomes l'occasion d'étudier certaines des prédictions d'Einstein sur la relativité.
L'existence de trous noirs est peut-être la prédiction la plus fascinante de la théorie générale de la relativité d'Einstein. Lorsqu'une masse, telle qu'une étoile, devient plus compacte qu'une certaine limite, sa propre gravité devient si forte que l'objet s'effondre en un point singulier, un trou noir. Dans l'esprit populaire, cet immense puits de gravité est un endroit où des choses étranges se produisent. Et maintenant, une équipe dirigée par le Center for Astrophysics a mesuré un trou noir de masse stellaire tournant si rapidement - tournant plus de 950 fois par seconde - qu'il pousse la limite de vitesse prévue pour la rotation.
«Je dirais que ce régime de gravité est aussi loin de l'expérience directe et de la connaissance que le monde subatomique lui-même», explique l'astronome CfA Jeffrey McClintock.
Appliquant une technique de mesure du spin développée conjointement par McClintock et l'astrophysicien CfA Ramesh Narayan, l'équipe a utilisé les données du satellite Rossi X-ray Timing Explorer de la NASA pour fournir la détermination la plus directe à ce jour du spin du trou noir.
McClintock et Narayan ont dirigé un groupe international composé de Rebecca Shafee, Département de physique de l'Université de Harvard; Ronald Remillard, Centre Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale, MIT; Shane Davis, Université de Californie, Santa Barbara, et Li-Xin Li, Institut Max-Planck d'astrophysique, Allemagne, dans cette recherche. Les résultats sont publiés dans le numéro d’aujourd’hui du Astrophysical Journal.
«Nous avons maintenant des valeurs précises pour les taux de rotation de trois trous noirs», explique McClintock. «Le plus excitant est notre résultat pour le microquasar GRS1915 + 105, qui a une rotation comprise entre 82% et 100% de la valeur maximale théorique.»
«Ce résultat a des implications majeures pour expliquer comment les trous noirs émettent des jets, pour modéliser les sources possibles de sursauts gamma et pour la détection des ondes gravitationnelles», explique le théoricien Narayan.
Pourquoi les astronomes se soucient-ils de la rotation?
"En astronomie, un trou noir est complètement décrit par seulement deux nombres qui spécifient sa masse et sa vitesse de rotation", explique McClintock. "Nous ne connaissons rien d'autre de si simple, à l'exception d'une particule fondamentale comme un électron ou un quark."
Bien que les astronomes aient réussi à mesurer la masse des trous noirs, ils ont trouvé beaucoup plus difficile de mesurer le deuxième paramètre fondamental d'un trou noir, sa rotation.
"En effet, jusqu'à cette année, il n'y avait aucune estimation crédible de rotation pour aucun trou noir", explique Narayan.
La gravité d'un trou noir est si forte que, lorsque le trou noir tourne, il entraîne l'espace environnant. Le bord de ce trou en rotation est appelé l'horizon des événements. Tout matériau traversant l'horizon des événements est tiré dans le trou noir.
«La fréquence de rotation du trou noir que nous avons mesurée est la vitesse à laquelle l’espace-temps tourne ou est traîné, juste à l’horizon des événements du trou noir», explique Narayan.
Le trou noir à grande vitesse, GRS 1915, est le plus massif des 20 trous noirs binaires à rayons X pour lesquels les masses sont actuellement connues, pesant environ 14 fois plus que le Soleil. Il est bien connu pour ses propriétés uniques telles que l'éjection de jets de matière à presque la vitesse de la lumière et les variations rapides de son émission de rayons X.
Au cours des dernières décennies, des dizaines de trous noirs ont été découverts dans des systèmes binaires à rayons X. Un binaire à rayons X est un système dans lequel deux objets orbitent l'un autour de l'autre, le gaz de l'un - une étoile normale comme le Soleil - étant transféré régulièrement à l'autre - dans ce cas, un trou noir. Le gaz s'enroule sur le trou noir par un processus appelé accrétion. En spirale, il chauffe jusqu'à des millions de degrés et émet des rayons X. L'équipe a utilisé le spectre des rayons X du disque d'accrétion du trou noir pour déterminer son spin.
La technique est basée sur une prédiction clé de la théorie de la relativité: le gaz qui s'accumule sur un trou noir ne rayonne que jusqu'à un certain rayon qui se trouve à l'extérieur du trou noir - en dehors de son horizon d'événements. À l'intérieur de ce rayon, le gaz tombe trop rapidement dans le trou pour produire beaucoup de rayonnement. Le rayon critique dépend de la rotation du trou noir, donc la mesure de ce rayon fournit une estimation directe de la rotation. Plus le rayon est petit, plus les rayons X émis par le disque sont chauds. La température des rayons X, couplée à la luminosité des rayons X, donne le rayon qui, à son tour, donne la vitesse de rotation du trou noir.
«C'est vraiment cool de pouvoir mesurer quelque chose d'aussi fondamental», explique Rebecca Shafee, étudiante diplômée au Département de physique de l'Université Harvard. «Notre méthode est très simple dans son concept et facile à comprendre. Nous sommes vraiment chanceux d'avoir de puissants observatoires à rayons X tels que le Rossi X-ray Timing Explorer dans l'espace et des télescopes sur Terre pour effectuer les mesures dont nous avons besoin. »
La recherche de la cause des sursauts gamma, qui peut être, pendant un moment, le flash le plus brillant de l'univers, peut être aidée par les résultats de l'équipe. L'astrophysicien théorique Stan Woosley de l'Université de Californie à Santa Cruz a modélisé des sursauts gamma basés sur l'effondrement d'une étoile massive. Ces modèles dépendent cependant de l'existence de trous noirs à très haut spin, qui jusqu'à présent n'avaient jamais été confirmés.
«C'est extrêmement important», explique Woosley. "Je n'avais aucune idée que de telles mesures pouvaient être faites."
Le document conclut que GRS 1915 et les deux autres trous noirs étudiés par l'équipe sont nés avec leurs spins élevés. C'est-à-dire que le noyau s'effondrant de l'étoile massive d'origine a déversé son élan angulaire dans le trou noir.
«Depuis que la communauté a découvert il y a de nombreuses années comment mesurer la masse des trous noirs, la mesure de la rotation a été le Saint Graal dans ce domaine», explique McClintock. «La technique que nous avons utilisée sur le GRS 1915 peut être appliquée à un certain nombre d'autres binaires à rayons X à trou noir. Nous avons hâte de voir ce que nous trouvons! »»
«L'un de nos espoirs les plus sincères est que les systèmes de trous noirs que nous étudions seront également étudiés par d'autres groupes en utilisant leurs méthodes préférées de mesure du spin», explique Narayan. "Une fois que ces autres méthodes seront développées plus avant et deviendront plus fiables, une comparaison croisée des résultats des différentes méthodes serait plus intéressante."
Source d'origine: Communiqué de presse de la CfA
