Les trous noirs sont des choses bizarres, même selon les normes des astronomes. Leur masse est si grande qu’elle courbe si étroitement l’espace autour d’eux que rien ne peut s’en échapper, même la lumière elle-même.
Et pourtant, malgré leur fameuse noirceur, certains trous noirs sont bien visibles. Le gaz et les étoiles que ces vides galactiques dévorent sont aspirés dans un disque incandescent avant leur voyage à sens unique dans le trou, et ces disques peuvent briller plus brillamment que des galaxies entières.
Plus étrange encore, ces trous noirs scintillent. La luminosité des disques incandescents peut fluctuer d’un jour à l’autre, et personne ne sait exactement pourquoi.
Nous nous sommes appuyés sur l’effort de défense des astéroïdes de la NASA pour observer plus de 5 000 des trous noirs à la croissance la plus rapide dans le ciel pendant cinq ans dans le but de comprendre pourquoi ce scintillement se produit.
Dans un nouvel article paru dans Nature Astronomy, nous rapportons notre réponse : une sorte de turbulence provoquée par la friction et des champs gravitationnels et magnétiques intenses.
De gigantesques mangeurs d’étoiles
Nous étudions les trous noirs supermassifs, ceux qui se trouvent au centre des galaxies et sont aussi massifs que des millions ou des milliards de soleils.
Notre propre galaxie, la Voie lactée, a en son centre l’une de ces géantes, avec une masse d’environ quatre millions de soleils. Pour la plupart, les quelque 200 milliards d’étoiles qui composent le reste de la galaxie (y compris notre Soleil) orbitent joyeusement autour du trou noir au centre.
Cependant, les choses ne sont pas aussi paisibles dans toutes les galaxies. Lorsque des paires de galaxies s’attirent par gravité, de nombreuses étoiles peuvent se retrouver trop près du trou noir de leur galaxie. Cela finit mal pour les stars : elles sont déchirées et dévorées.
Nous sommes convaincus que cela a dû se produire dans des galaxies avec des trous noirs qui pèsent jusqu’à un milliard de soleils, car nous ne pouvons pas imaginer comment ils auraient pu atteindre une telle taille autrement. Cela peut aussi s’être produit dans la Voie lactée dans le passé.
Les trous noirs peuvent également se nourrir de manière plus lente et plus douce : en aspirant des nuages de gaz soufflés par des étoiles gériatriques appelées géantes rouges.
Temps d’alimentation
Dans notre nouvelle étude, nous avons examiné de près le processus d’alimentation parmi les 5 000 trous noirs à la croissance la plus rapide dans l’Univers.
Dans des études antérieures, nous avons découvert les trous noirs avec l’appétit le plus vorace. L’année dernière, nous avons découvert un trou noir qui dévore chaque seconde l’équivalent d’une Terre. En 2018, nous en avons trouvé un qui mange un soleil entier toutes les 48 heures.
Mais nous avons beaucoup de questions sur leur comportement alimentaire réel. Nous savons que la matière qui pénètre dans le trou se transforme en un “disque d’accrétion” lumineux qui peut être suffisamment brillant pour éclipser des galaxies entières. Ces trous noirs qui se nourrissent visiblement sont appelés quasars.
La plupart de ces trous noirs sont très, très éloignés – beaucoup trop loin pour que nous puissions voir le moindre détail du disque. Nous avons quelques images de disques d’accrétion autour de trous noirs à proximité, mais ils respirent simplement du gaz cosmique plutôt que de se régaler d’étoiles.
Cinq ans de trous noirs scintillants
Dans notre nouveau travail, nous avons utilisé les données du télescope ATLAS de la NASA à Hawaï. Il scanne le ciel entier chaque nuit (si le temps le permet), surveillant les astéroïdes s’approchant de la Terre depuis l’obscurité extérieure.
Ces scans du ciel entier fournissent également un enregistrement nocturne de la lueur des trous noirs affamés, profondément en arrière-plan. Notre équipe a réalisé un film de cinq ans sur chacun de ces trous noirs, montrant les changements de luminosité au jour le jour causés par le maelström bouillonnant et bouillant du disque d’accrétion.
Le scintillement de ces trous noirs peut nous dire quelque chose sur les disques d’accrétion.
En 1998, les astrophysiciens Steven Balbus et John Hawley ont proposé une théorie des “instabilités magnéto-rotationnelles” qui décrit comment les champs magnétiques peuvent provoquer des turbulences dans les disques. Si c’est la bonne idée, alors les disques devraient grésiller de façon régulière.
Ils scintillaient selon des motifs aléatoires qui se déroulaient au fur et à mesure que les disques orbitent. Les disques plus grands orbitent plus lentement avec un scintillement lent, tandis que les orbites plus serrées et plus rapides des disques plus petits scintillent plus rapidement.
Mais les disques dans le monde réel prouveraient-ils cela simplement, sans aucune autre complexité ? (La question de savoir si “simple” est le bon mot pour désigner la turbulence dans un environnement ultra-dense et incontrôlable intégré dans des champs gravitationnels et magnétiques intenses où l’espace lui-même est plié au point de rupture est peut-être une question distincte.)
À l’aide de méthodes statistiques, nous avons mesuré à quel point la lumière émise par nos 5 000 disques scintillait au fil du temps. Le schéma de scintillement dans chacun semblait quelque peu différent.
Mais lorsque nous les avons triés par taille, luminosité et couleur, nous avons commencé à voir des motifs intrigants. Nous avons pu déterminer la vitesse orbitale de chaque disque – et une fois que vous avez réglé votre horloge pour qu’elle fonctionne à la vitesse du disque, tous les schémas de scintillement ont commencé à se ressembler.
Ce comportement universel est en effet prédit par la théorie des “instabilités magnéto-rotationnelles”.
C’était réconfortant ! Cela signifie que ces maelströms époustouflants sont “simples” après tout.
Et cela ouvre de nouvelles possibilités. Nous pensons que les différences subtiles restantes entre les disques d’accrétion se produisent parce que nous les regardons sous différentes orientations.
La prochaine étape consiste à examiner de plus près ces différences subtiles et à voir si elles contiennent des indices pour discerner l’orientation d’un trou noir. À terme, nos futures mesures des trous noirs pourraient être encore plus précises.
Christian Wolf, professeur agrégé, astronomie et astrophysique, Université nationale australienne
Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article d’origine.
