Le spin d’un Trou Noir monstre Révélé pour la 1ère fois

Des astronomes ont effectué la première mesure fiable du spin d’un trou noir supermassif, présentant une technique qui pourrait aider à percer les mystères de la croissance et de l’évolution de ces monstres.

L’énorme trou noir au centre de la galaxie spirale NGC 1365 tourne à environ 84% aussi vite que la théorie générale de la relativité d’Einstein le permet, ont déterminé les chercheurs. La découverte démontre qu’au moins certains trous noirs supermassifs tournent rapidement — une affirmation que des études précédentes avaient laissé entendre mais n’ont pas pu confirmer.

“C’est la première fois que nous pouvons vraiment dire que des trous noirs tournent”, a déclaré Fiona Harrison, co-auteure de l’étude, de Caltech à Pasadena SPACE.com . “La promesse que cela tient pour pouvoir comprendre comment les trous noirs se développent est, je pense, l’implication majeure.”

Regarder un trou noir dans la lumière des rayons X

Les trous noirs supermassifs sont presque incompréhensibles, certains contenant 10 milliards ou plus de fois la masse de notre soleil. Les scientifiques pensent que l’on se cache au cœur de la plupart, sinon de toutes, les galaxies.

NGC 1365, située à environ 56 millions d’années-lumière de la Terre dans la constellation du Fornax, abrite en effet un gigantesque trou noir — un trou aussi massif que plusieurs millions de soleils. Et ce mastodonte déverse d’énormes quantités d’énergie alors qu’il engloutit du gaz et d’autres matières à proximité, ce qui en fait une cible intrigante pour les astronomes.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont analysé les observations de deux télescopes spatiaux à rayons X – l’observatoire XMM—Newton de l’Agence spatiale européenne et le Réseau de télescopes Spectroscopiques nucléaires (NuSTAR) de la NASA – constitués de NGC 1365 en juillet 2012.

En réduisant à zéro la lumière de haute énergie émise par les atomes de fer, les télescopes ont pu tracer le mouvement du disque d’accrétion plat et rotatif qui entoure le trou noir de NGC 1365 et entonnoir le gaz et la poussière dans sa gueule gourmande.

Les astronomes ont constaté que les émissions sont fortement déformées, ce qui suggère que le bord interne du disque d’accrétion peut être assez proche du trou noir — suffisamment proche pour que les effets gravitationnels fassent des ravages avec les rayons X provenant du disque. Cela implique à son tour un trou noir en rotation rapide, car la relativité générale stipule que plus un trou noir tourne rapidement, plus son disque peut s’approcher de lui, a déclaré Harrison.

Mais ce n’est qu’une interprétation. Un autre soutient qu’une telle distorsion, qui a déjà été observée dans les émissions de disques d’accrétion, pourrait être causée par des nuages de gaz qui pendent entre un trou noir supermassif et les télescopes qui l’observent.

“Cela a été une grande controverse — laquelle des deux se passe?” Dit Harrison.

Épinglant le spin d’un trou noir

Le télescope NuSTAR de 165 millions de dollars, qui vient d’être lancé en juin 2012, a finalement craqué le boîtier.

En utilisant les mesures ultra-sensibles des rayons X de haute énergie de NuSTAR, les astronomes ont calculé que les prétendus nuages de gaz devraient être incroyablement épais pour produire les niveaux de distorsion observés — tellement épais que rendre l’idée intenable, du moins dans le cas du trou noir de NGC 1365.

“Pour briller à travers ces nuages épais, le trou noir devrait être si brillant qu’il se désintégrerait”, a déclaré Harrison, chercheur principal de la mission NuSTAR. “Donc, ce qui doit se passer, c’est que ce que nous voyons, ce sont ces distorsions relativistes. Et cela signifie que le disque se rapproche du trou noir, ce qui signifie que le trou noir doit tourner rapidement.”

L’équipe de recherche, dirigée par Guido Risaliti du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics et de l’Observatoire Arcetri de l’Institut National italien d’Astrophysique, a calculé que ce taux de rotation était de 84% de celui autorisé par la relativité générale.

Il est difficile de comprendre ce chiffre, car il ne se traduit pas bien en miles par heure. Mais il est sûr de dire que le trou noir tourne incroyablement vite.

“L’analogie d’une vitesse réelle n’est pas tout à fait juste”, a déclaré Harrison. “Mais ce que vous pouvez dire, c’est que les trous noirs en rotation tordent l’espace-temps autour d’eux. Et si vous vous teniez près du trou noir, fondamentalement, votre espace-temps serait tordu, ou traîné, de telle sorte que vous deviez tourner une fois toutes les quatre minutes juste pour rester immobile.”

La nouvelle étude a été publiée en ligne aujourd’hui (Fév. 27) dans la revue Nature.

En savoir plus sur la croissance des trous noirs

Les astronomes pensent que les trous noirs supermassifs acquièrent la majeure partie de leur spin à mesure qu’ils grandissent, plutôt que de naître avec. Ainsi, l’étude de leurs taux de rotation peut donner un aperçu de la façon dont ces monstres ont évolué au fil du temps.

Le spin ultra-rapide du trou noir de NGC 1365, par exemple, implique qu’il ne s’est pas développé via de nombreuses fusions de petits trous noirs, a déclaré Harrison, car les chances sont très faibles que de nombreux événements chaotiques de ce type le fassent tourner dans la même direction.

Il est plutôt plus probable que le trou noir central de NGC 1365 ait acquis son spin d’une fusion majeure, ou simplement en engloutissant du matériel d’un disque d’accrétion qui est resté stable sur le long terme.

La nouvelle étude représente un premier pas vers une meilleure compréhension de la nature et de l’évolution des trous noirs supermassifs, a déclaré Harrison.

“Nous ferons plus de mesures comme celle-ci”, a-t-elle déclaré. “Finalement, ce que vous aimeriez faire, c’est avoir un plus grand télescope capable de mesurer des trous noirs plus lointains afin que nous puissions, en utilisant les statistiques de l’échantillon, comprendre comment ils se développent au cours du temps cosmique.”

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