Une Solution pour la Naissance des Trous Noirs Supermassifs

L’existence de trous noirs supermassifs de plus de 1 milliard de masses solaires dans un Univers à peine âgé de 1 milliard d’années pose de grandes questions aux astrophysiciens. Comment de tels objets ont-ils pu grossir de la sorte en si peu de temps ? Ces trous noirs supermassifs sont les sources d’énergie qui sont à l’origine des quasars, objets extrêmement lumineux et lointains, connus depuis une cinquantaine d’année.

Vue d'artiste d'un trou noir entouré par un disque
d'accrétion. (NASA/CXC/SAO)

Les quasars les plus lointains que nous connaissons se situent dans une zone de l’espace-temps où l’Univers n’avait que 6% de son âge, soit un peu moins d’un milliard d’années. Les premières étoiles, elles, sont apparues quand l’Univers était âgé environ d’une centaine de millions d’année et les premières galaxies aux alentours de 500 millions d’années.
Ce que l’on pense aujourd’hui, c’est que les trous noirs supermassifs grossissent par fusion successives de trous noirs de masses intermédiaires, de plusieurs centaines de milliers de masse solaire. Mais un trou noir « normal » se forme par l’effondrement d’une étoile qui peut avoir environ une masse de 10 masses solaires, seulement. Les premiers trous noirs sont apparus après l’effondrement d’étoiles de la toute première génération, celles qui sont nées quelques centaines de millions d’années après la singularité initiale, et qui ont dû avoir une durée de vie très courte, probablement moins de 100 millions d’années.
On pense donc raisonnablement qu’il existait de nombreux trous noirs stellaires (de l’ordre de 10 masses solaires) dans l’Univers âgé de 300 à 400 millions d’années.
Mais comment peut-on passer de trous noirs de 10 masses solaires à des énormités de plus de 100000 masses solaires en l’espace de seulement 600 millions d’années ? Cette question est l’une des grandes énigmes actuelles en astrophysique. La question se pose car le grossissement en masse des trous noirs par accrétion de matière est un processus limité : le taux d’accrétion d’un trou noir (la quantité de masse attrapée par seconde) ne peut pas dépasser une certaine limite physique, le taux d’Eddington, qui est lié à la pression de radiation produite par le rayonnement du disque d’accrétion, qui vient s’opposer à la force de gravitation faisant tomber le gaz dans le disque d’accrétion.

Schéma du principe d'accrétion exponentielle par
diffusion au sein d'un amas dense. Le trou noir
a un mouvement erratique et collecte de la
matière dans son mouvement.
(Alexander et al., Science)

Deux astrophysiciens, un israélien et un américain, viennent de proposer une solution possible à cette énigme. Dans un court article paru dans le numéro deScience de vendredi dernier, ils proposent un mécanisme dynamique permettant à un trou noir stellaire d’outrepasser la limite d’Eddington et de grossir très rapidement et très fortement pour atteindre la taille d’une graine de trou noir supermassif, soit 10000 masses solaires en moins de 10 millions d’années.

Leur proposition est la suivante : à l’origine, un trou noir stellaire de 10 masses solaires se trouve emprisonné à l’intérieur d’un amas très dense d’étoiles. De plus, cet amas est traversé par un flux de gaz froid et dense également. Ce type d’amas d’étoiles pourrait être les toutes premières proto-galaxies.

Ce qui se passe est que le disque d’accrétion entourant le trou noir est fortement perturbé par les multiples interactions gravitationnelles entre le trou noir et les étoiles environnantes, très nombreuses. De fait, le trou noir se retrouve comme balloté dans un mouvement erratique parmi les milliers d’étoiles de l’amas. De plus, le flot de gaz froid circulant au milieu de tout ce monde a pour effet de rendre opaque le milieu à proximité immédiate du disque d’accrétion du trou noir. La conséquence de ces effets simultanés est une sorte de disparition de la limite d’Eddington : dans ces conditions particulières, le trou noir se retrouve pouvoir accréter et absorber tout le gaz (et les étoiles sont du gaz) se trouvant sur son chemin avec un taux (la quantité de masse par seconde) sans aucune limite. Ce grossissement est qualifié par les auteurs de supra-exponentiel, c’est dire…

Tal Alexander et Priyamvada Natarajan montrent que dans ces conditions particulières, un trou noir de taille stellaire atteint 10000 masses solaires en moins de 10 millions d’années. Ils indiquent également qu’avec de telles graines de trous noirs de 10000 masses solaires, le seul effet d’une accrétion revenue dans un régime normal (avec limite d’Eddington) suffirait à obtenir des trous noirs de 1 milliard de masse solaire quelques centaines de millions d’années plus tard, même sans avoir recours à des fusions de graines…

Ils concluent leur article en précisant qu’il n’est même pas nécessaire qu’un tel mécanisme ait lieu systématiquement. Si cela a eu lieu dans seulement 1 à 5% des amas denses d’étoiles de l’Univers très jeune, ce serait suffisant pour expliquer le nombre de quasars que nous voyons aujourd’hui.
Serait-ce le début de la fin d’une énigme ?

Référence :
Rapid growth of seed black holes in the early universe by supra-exponential accretion
Tal Alexander and Priyamvada Natarajan
Science, vol 345 issue 6202 (12 september 2014)

lundi 15 septembre 2014

http://drericsimon.blogspot.com/2014/09/une-solution-pour-la-naissance-des.html

Nouveau scénario pour résoudre l’énigme des trous noirs géants

Même les plus énormes ogres ont un jour été petits. Et, dans le cas des trous noirs géants que l'on trouve au centre des galaxies, cela pose une véritable énigme aux astrophysiciens. Il est en effet arrivé à des chercheurs, en regardant loin dans le cosmos – ce qui revient à regarder dans son passé car la lumière des astres lointains a parfois mis des milliards d'années à nous parvenir –, de remonter à moins de 800 millions d'années après le Big Bang, dans la prime jeunesse d'un Univers aujourd'hui vieux de 13,8 milliards d'années, et de trouver des galaxies contenant un trou noir supermassif. Par supermassif, on entend un monstre équivalent à un milliard de fois la masse de notre Soleil, voire davantage. Or, même si, comme je l'écrivais dans un précédent billet, 800 millions d'années peuvent sembler une période bien longue, c'est en réalité très court pour fabriquer un trou noir aussi gargantuesque. Voilà donc où se situe l'énigme : comment ces objets étranges parviennent-ils à absorber une quantité aussi phénoménale de matière en si peu de temps ?

Pour mieux comprendre le problème, il faut savoir que, contrairement à une idée reçue, "les trous noirs ne pompent pas activement la matière – ils ne sont pas comme des aspirateurs", explique Tal Alexander, du département de physique des particules et d'astrophysique de l'Institut Weizmann (Rehovot, Israël). Ainsi que ce chercheur l'a précisé au site Space.com, "une étoile ou un flux de gaz peut se trouver sur une orbite stable autour d'un trou noir, exactement comme la Terre tourne autour du Soleil, sans tomber dedans. C'est réellement un défi de réfléchir à des moyens efficaces de conduire le gaz dans le trou noir à un rythme suffisamment élevé pour soutenir une croissance rapide."

Dans les galaxies âgées et proches de nous que nous pouvons observer, les trous noirs centraux sont plutôt à la diète : la matière y tombe lentement, presque au compte-gouttes. Cette matière provient en général du disque d'accrétion qui entoure le trou noir et tourne autour de lui un peu comme l'eau d'un lavabo qui se vide. Cela a deux effets ralentisseurs : le gaz se trouve en quelque sorte englué dans cette spirale visqueuse et c'est chacun son tour comme sur un rond-point (à la différence qu'on en "sort" par l'intérieur et non par l'extérieur). À cet embouteillage s'ajoute un second phénomène : les frictions internes au disque créent de l'énergie et une pression de radiation qui a pour effet de repousser la matière et de limiter la vitesse à laquelle elle choit dans le trou noir.

Dans une étude publiée le 7 août par Science, qu'il a cosignée avec Priyamvada Natarajan, astrophysicienne à l'université Yale (Etats-Unis), Tal Alexander a tenté de résoudre le casse-tête de la formation des trous noirs géants et de comprendre comment, à partir d'un premier trou noir, issu de la mort d'une grosse étoile de la toute première génération d'astres apparus après le Big Bang, on pouvait former un monstre du cosmos en moins d'un milliard d'années. Ces deux chercheurs ont imaginé une proto-galaxie : un trou noir de masse modeste (quelques fois la masse du Soleil) inséré au sein d'un amas d'étoiles jeunes, amas alimenté par un flux de gaz froid et dense tel qu'on pouvait en trouver dans le jeune Univers. Dans ce modèle de bébé-galaxie, le trou noir, encore léger, subit les interactions gravitationnelles des étoiles voisines et se promène à droite et à gauche comme une boule de flipper. En zigzaguant ainsi dans l'amas, il ramasse et engloutit sur son passage une bonne quantité de gaz qui lui tombe directement dans le bec sans passer par la phase du disque d'accrétion, lequel ne se forme pas dans ces conditions bousculées. Plus le trou noir grossit, plus il peut dévorer et sa croissance se déroule à une vitesse "supra-exponentielle", pour reprendre l'expression des chercheurs.

Selon les calculs de Tal Alexander et de Priyamvada Natarajan, il ne faut au maximum que quelques dizaines de millions d'années – une misère à l'échelle des temps astronomiques – pour que le trou noir accumule plus de 10 000 fois la masse du Soleil. Après cela, l'objet est devenu tellement respectable qu'il cesse de jouer au chien dans un jeu de quilles. Mais la "graine" de trou noir supermassif a bien poussé et rien ne l'arrêtera. Sa croissance ralentira certes progressivement mais cela ne l'empêchera pas d'atteindre une masse colossale avant même son milliardième anniversaire...

11 août 2014, par Pierre Barthélémy

http://passeurdesciences.blog.lemonde.fr/2014/08/11/nouveau-scenario-pour-resoudre-lenigme-des-trous-noirs-geants/#xtor=RSS-3208

Aussi brillant qu’un million de soleils : le trou noir au cœur de la Voie Lactée serait sur le point d'exploser

Le trou noir supermassif au centre de notre galaxie, la Voie Lactée, consommera bientôt une goutte de gaz qui le fera rayonner d'énergie à un rythme effréné.

L'anéantissement de ce nuage de gaz pourrait durer plus d'un an

Rien n'est plus tranquille que l'étendue de la Voie Lactée flottant dans le ciel d'une nuit d'été. Enfin, c'est ce que vous pensez ! En réalité, le centre de notre galaxie est un chaos d'étoiles et de débris qui tournent autour d'un immense trou noir qui fait 4 millions de fois la masse du soleil. Et les choses ne sont pas prêtes de se calmer. Des astronomes ont découvert qu'une boule de gaz, appelée G2, s'est égarée et se dirige actuellement vers le trou noir.

Ce gaz avance très vite. A tel point qu'il entre en collision avec d'autres matières, se réchauffe et émet une grande quantité d'énergie. Le trou noir va bientôt consommer cette boule de gaz. Un événement similaire s'est produit il y a une centaine d'années, créant un éclat de lumière aussi brillant qu'un million de soleils. Une donnée parvenue à notre connaissance grâce aux échos de lumière qui rebondissent autour du centre de la galaxie. Selon le astronome du MIT Sheperd Doeleman, l'anéantissement de ce nuage de gaz pourrait durer plus d'un an. Elle considère d'ailleurs ce moment comme "un événement unique dans une vie".




Le trou noir central a beau être immense, il reste mille fois trop petit pour être observé avec le télescope spatial Hubble. Il est également obscurci par la poussière interstellaire qui bloque toute la lumière visible, bien que certaines ondes radio peuvent passer à travers. C'est pour cela que Sheperd Doeleman organise l'Event Horizon Telescope, un projet qui vise à créer un réseau international d'antennes paraboliques qui, ensemble, représentent un système dont le diamètre effectif est aussi important que celui de la Terre.

D'ici deux ans, le réseau de l'Event Horizon Telescope augmentera donc considérablement ses capacités d'observation. Une trentaine de radiotélescopes devraient rejoindre d'ici 2015 les quatre appareils qui en font déjà partie. Selon Sheperd Doeleman, le radiotélescope ainsi créé permettra également de réaliser des observations inédites de Sagittarius-A et de son disque d'accrétion. L'Event Horizon Telescope a déjà permis de relever de nouvelles données concernant la galaxie M87.

Publié le 28 septembre 2013

Read more at http://www.atlantico.fr/decryptage/aussi-brillant-qu-million-soleils-trou-noir-au-coeur-voie-lactee-serait-point-exploser-851078.html#7EuQSWg905HgqH6e.99

How Do Black Holes Form?

Black holes are the most exotic and awe inspiring objects in the Universe.

Take the mass of an entire star. Compress it down into an object so compact that the force of gravity defies comprehension.

Nothing, not even light, can escape the pull of gravity from a black hole.

The idea was first conceived in the 18th century by the geologist John Mitchell. He realized that if you could compress the Sun down by several orders of magnitude, it would have gravity so strong that you’d need to be going faster than the speed of light to escape it.

Artist’s conception of the event horizon
of a black hole. Credit: Victor de
Schwanberg/Science Photo Library

Initially, black holes were considered nothing more than abstract mathematical concepts; even Einsten assumed they didn’t actually exist. But in 1931, the astronomer Chandrasekhar calculated that certain high mass stars might be able to collapse into black holes after all.

They turned out to be real, and over the next few decades, astronomers found many examples out in the Universe.

Stars are held in perfect balance by two opposing forces. There’s the inward pressure of gravity, attempting to collapse the star, counteracted by the outward pressure of the emitted radiation.

This artist’s concept illustrates a
supermassive black hole with millions to
billions times the mass of our sun.
Supermassive black holes are
enormously dense objects buried
at the hearts of galaxies. Image
credit: NASA/JPL-Caltech

At the core, millions of tonnes of hydrogen are being converted into helium every second, releasing gamma radiation. This fusion process is an exothermic reaction, meaning it releases more energy than it requires.

As the star consumes the last of its hydrogen, it switches to the stockpiles of helium that it has built up. After it runs out of helium, it switches to carbon, and then oxygen.

Since the star continues to pump out radiation, it balances out the gravitational forces trying to compress it.






Stars with the mass of our Sun pretty much stop there. Not massive enough to continue the fusion reaction, beyond oxygen, they become a white dwarf and cool down.

But for stars with about 5 times the mass of our Sun, the fusion process continues further up the periodic table to silicon, aluminum, potassium, and so on, all the way to iron.

No energy can be produced by fusing iron atoms together. It’s the stellar equivalent of ash.

And so, in a fraction of a second, the radiation from the star turns off. Without that outward pressure from the radiation, gravity wins out and the star implodes. An entire star’s mass collapses down into a smaller and smaller volume of space.

The velocity you would need to escape from the star goes up, until not even light is going fast enough to escape.

And this is how you form a black hole.

Well, that’s the main way.

You can also get black holes when dense objects, like neutron stars, collide with one another.

And then there are the supermassive black holes at the heart of every galaxy. And to be honest, astronomers still don’t know how those monsters formed.

by FRASER CAIN on SEPTEMBER 27, 2013

Read more: http://www.universetoday.com/33454/how-do-black-holes-form/#ixzz2gDDr335p

Goodbye Big Bang, Hello Black Hole? A New Theory Of The Universe’s Creation

Artist’s conception of the event horizon of a black hole. Credit: Victor de Schwanberg/Science 

Photo Library

Could the famed “Big Bang” theory need a revision? A group of theoretical physicists suppose the birth of the universe could have happened after a four-dimensional star collapsed into a black hole and ejected debris.

Before getting into their findings, let’s just preface this by saying nobody knows anything for sure. Humans obviously weren’t around at the time the universe began. The standard theory is that the universe grew from an infinitely dense point or singularity, but who knows what was there before?

“For all physicists know, dragons could have come flying out of the singularity,” stated Niayesh Afshordi, an astrophysicist with the Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada who co-authored the new study.

So what are the limitations of the Big Bang theory? The singularity is one of them. Also, it’s hard to predict why it would have produced a universe that has an almost uniform temperature, because the age of our universe (about 13.8 billion years) does not give enough time — as far as we can tell — to reach a temperature equilibrium.

Most cosmologists say the universe must have been expanding faster than the speed of light for this to happen, but Ashford says even that theory has problems: “The Big Bang was so chaotic, it’s not clear there would have been even a small homogenous patch for inflation to start working on.”

Representation of the timeline of the universe over 13.7 billion years, from the Big Bang, 

through the cosmic dark ages and formation of the first stars, to the expansion in the universe 

that followed. Credit: NASA/WMAP Science Team.

This is what the physicists propose:

• The model they constructed has the three-dimensional universe floating as a membrane (or brane) in a “bulk universe” that has four dimensions. (Yes, this is making our heads hurt as well, so it might be easier to temporarily think of the brane as two-dimensional and the “bulk universe” as three-dimensional when trying to picture it.) You can read the more technical details in this 2000 paper on which the new theory is based.
• So if this “bulk universe” has four-dimensional stars, these stars could go through the same life cycles as the three-dimensional ones we are familiar with. The most massive ones would explode as supernovae, shed their skin and have the innermost parts collapse as a black hole.
• The 4-D black hole would have an “event horizon” just like the 3-D ones we are familiar with. The event horizon is the boundary between the inside and the outside of a black hole. There are a lot of theories of what goes on inside a black hole, although nothing has ever been observed.
• In a 3-D universe, the event horizon appears as a two-dimensional surface. So in a 4-D universe, the event horizon would be a 3-D object called a hypersphere.
• So basically, what the model says is when the 4-D star blows apart, the leftover material would create a 3-D brane surrounding a 3-D event horizon, and then expand.

The long and the short of it? To bring this back to things that we can see, it is clear from observations that the universe is expanding (and indeed is getting faster as it expands, possibly due to the mysterious dark energy). The new theory says that the expansion comes from this 3-D brane’s growth. But there is at least one limitation.

This artist’s impression shows the surroundings of the supermassive black hole at the heart of the 

active galaxy NGC 3783 in the southern constellation of Centaurus (The Centaur). New 

observations using the Very Large Telescope Interferometer at ESO’s Paranal Observatory in 

Chile have revealed not only the torus of hot dust around the black hole but also a wind of cool 

material in the polar regions. Credit: ESO/M. Kornmesser

While the model does explain why the universe has nearly uniform temperature (the 4-D universe preceding it would have existed it for much longer), a European Space Agency telescope called Planck recently mapped small temperature variations in the cosmic microwave background, which is believed to be leftovers of the universe’s beginnings. (Read more about the CMB here.)

The new model differs from these CMB readings by about four percent, so the researchers are looking to refine the model. They still feel the model has worth, however. Planck shows that inflation is happening, but doesn’t show why the inflation is happening.

“The study could help to show how inflation is triggered by the motion of the universe through a higher-dimensional reality,” the researchers stated.

You can read more about their research on this prepublished Arxiv paper. The Arxiv entry does not specify if the paper has been submitted to any peer-reviewed scientific journals for publication.

Source: Nature

by ELIZABETH HOWELL on SEPTEMBER 18, 2013

Read more: http://www.universetoday.com/104863/goodbye-big-bang-hello-hyper-black-hole-a-new-theory-on-universes-creation/#ixzz2fLBQ0PjK

Au-delà du Big Bang : balade en cosmologie

La théorie du Big Bang en cosmologie est satisfaisante à bien des égards, mais ne répond pas à des anomalies observées, comme l’énergie et la matière noires. L’état actuel des connaissances sur l’origine de l’univers et les nouvelles pistes des théoriciens sont présentés dans ce dossier.

Peut-on comprendre l’univers ? De nombreux physiciens travaillent à donner une explication satisfaisante aux origines de notre cosmos. La théorie du Big Bang en est un fameux exemple. Bien qu’elle ait enregistré des succès, elle rencontre aussi des écueils, qui invitent à regarder au-delà ou dans de nouvelles directions.

Malgré les résultats récents de la physique théorique, comme la découverte du boson de Higgs au LHC ou l’image la plus précise durayonnement fossile réalisée par le satellite Planck, notre modèle cosmologique reste impuissant devant des mystères comme la matière ou l’énergie noire. Bien comprendre l’état de nos connaissances sur l’origine de l’univers est essentiel pour concevoir le foisonnement de théories qui se développent en cosmologie ces dernières années, comme la théorie des cordes, celle de la gravitation quantique ou du multivers.

Il ne va pas de soi que le monde peut être pensé. Il ne va pas de soi qu’une physique, une science de la nature donc, est possible. Il ne va pas de soi qu’elle nous apprend quelque chose du monde qui dépasse ce que notre esprit y a lui-même instillé. Il faut, je crois, cheminer en cosmologie en ne négligeant jamais l’étonnement primitif de ce semblant d’intelligibilité.

Il est impossible de ne pas faire face à l’interrogation de Heidegger revisitant Leibniz : « Pourquoi y a-t-il l’Étant et non pas plutôt rien ? » Ce qui n’est d’ailleurs pas sans faire écho à l’inquiétude de Wittgenstein, représentant pourtant une tradition philosophique réputée divergente. « Ce qui est mystique, ce n’est pas comment est le monde, mais le fait qu’il est. » Une immense étrangeté vertèbre l’existence même de l’univers et le fait qu’il nous soit, au moins un peu, accessible.


Mathématicien et philosophe, Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) s'est interrogé sur la capacité de l'esprit humain à comprendre l'univers, ainsi que sur les principes physiques et métaphysiques à l'origine du monde dans sa totalité. © DP

Au-delà de cette curieuse capacité de la physique à appréhender le réel, il est remarquable que l’univers lui-même soit un objet d’étude scientifique. L’univers n’est pas un système comme les autres. D’abord, nous faisons partie du système décrit. Nous sommes un élément de l’univers, une parcelle du système considéré. Ensuite, l’expérience est non reproductible. La « naissance » de l’univers n’a eu lieu qu’une fois ! Le protocole opératoire de la physique consiste à tenter d’inférer des lois à partir de l’observation de régularités lors de la réitération d’expériences similaires. C’est inenvisageable en cosmologie. De plus, les « conditions initiales » jouent ici un rôle très particulier.

La physique ne peut prédire la position de chute d’une pierre que si l’on spécifie la manière dont elle est jetée : sa vitesse et sa position primitives. C’est ce que les scientifiques nomment les conditions initiales. Elles sont toujours extérieures et antérieures à l’expérience considérée. Or, précisément, le système univers ne comporte ni extériorité ni antériorité. Pas d’avant, pas d’ailleurs. Qui peut donc fixer les conditions initiales essentielles aux prédictions ? Comment ? Enfin, dans l’étude de l’univers, c’est l’état actuel qui est connu et l’état primitif qui est recherché. Il faut penser « à rebours ». Sans même mentionner que les énergies en jeu dans les premiers instants du cosmos sont sans aucun doute beaucoup plus importantes que ce qui a jamais été — et que ce qui sera sans doute jamais — testé sur Terre. Pour toutes ces raisons, la possibilité même d’une cosmologie pourrait sembler compromise à priori.

Le petit miracle de la cosmologie tient à ce qu’en dépit de ces difficultés — à moins que ce ne soit en partie grâce à elles —, elle s’est effectivement constituée comme une science, et même, comme une science de précision.

Quel est le véritable aspect du cosmos ? Quelle serait l’apparence du firmament si nos yeux étaient nettement plus sensibles ? Ces questions sont essentielles pour la cosmologie. Il est pourtant impossible d’y répondre simplement.

La lumière est une onde caractérisée par son énergie, et nos yeux sont ainsi sensibles à une gamme d’énergies extrêmement réduite. Il existe dans la nature des photons dont l’énergie peut être des milliers de milliards de fois plus grande ou plus petite que celle perçue par nos yeux. Le minuscule intervalle visible, représentant une gamme dont le maximum et le minimum ne diffèrent que d’un facteur deux, est à comparer au facteur gigantesque qui sépare les photons radio desphotons gamma. Nous sommes presque totalement « aveugles », nous vivons dans un bain de rayonnements cachés.

Cette extraordinaire diversité des images du monde que nous livre l’astrophysique contemporaine est au cœur de l’attrait de la (re)présentation scientifique de l’univers. Moins que l’esthétique —plastique ou chromatique — d’une des représentations, c’est leur profusion qui me semble fascinante.

Les ondes lumineuses de très basse énergie se nomment ondes radio. Les ondes radio ont révélé de nombreux processus non thermiques dans l’univers. En particulier, les ondes radio ont mis en évidence le rayonnement dit synchrotron qui, lui-même, témoigne de la présence de particules très rapides dans des champs magnétiques. Beaucoup d’autres objets ont été découverts grâce aux ondes radio, à commencer par les fameux quasars.


Le spectre des observations en astronomie est large, des ondes radio aux rayons gamma en passant par les micro-ondes et les rayons X. La bande de la lumière visible n'y occupe qu'une toute petite part, bien qu'elle soit celle où rayonnent la majorité des étoiles sur la séquence principale. Plusieurs instruments sont dédiés à l'observation d'une petite fenêtre sur le cosmos observable. Ainsi, Chandra observe dans le domaine des rayons X, alors que Herschel a observé dans celui de l'infrarouge (infrared). © American Astronomical Society

À un peu plus haute énergie, dans le domaine des micro-ondes, le ciel est baigné par le fond derayonnement cosmologique. Ces ondes sont extrêmement nombreuses : des milliers de milliards de photons de cette nature heurtent notre main chaque seconde ! Du point de vue cosmologique, ce rayonnement est extraordinairement important. Mais du point de vue esthétique, tout au contraire, le ciel est plutôt sans intérêt à cette énergie : il est presque parfaitement uniforme.

À plus haute énergie encore s’ouvre le domaine des infrarouges, dans lequel de nombreuses sources astrophysiques émettent l’essentiel de leur rayonnement. Il est important en ce qu’il révèle, par exemple, les zones de formation des étoiles, permettant de comprendre les mécanismes à l’œuvre dans l’émergence des structures stellaires.

Au-delà de la minuscule fenêtre visible s’ouvre le domaine des ultraviolets. Ces ondes permettent d’accéder à des objets très chauds, qui émettent au-delà de la température du Soleil. Elles dessinent elles aussi un autre univers.

À plus haute énergie encore, dans le domaine des rayons X, se révèlent, entre beaucoup d’autres objets, des systèmes binaires où deux astres tournent frénétiquement l’un autour de l’autre. Ce sont des phénomènes très impressionnants, et souvent catastrophiques. Des cataclysmes célestes. On peut ainsi découvrir des étoiles à neutrons dont la densité avoisine un milliard de tonnes par centimètre cube ! Soit 100.000 milliards de fois supérieure à celle du plomb…


La galaxie d'Andromède possède différents visages, selon qu'on l'observe dans l'infrarouge (infrared), dans le visible (optical) ou en rayons X (X-rays). © Esa

Les ondes de lumière les plus énergétiques jamais mesurées se nomment rayons gamma. Ils sont évidemment un moyen privilégié pour accéder à des processus exotiques dans l’univers. Dans le domaine des rayons gamma « durs », celui des plus hautes énergies parmi les plus hautes énergies, le ciel est essentiellement noir. Ni le Soleil, ni les autres étoiles, ni bien sûr les planètes ne sont capables d’émettre de tels rayonnements. Étonnamment, pour des yeux sensibles aux rayons gamma, c’est un astre pourtant ténu dans le domaine visible qui s’imposerait comme nouvel astre du jour et étincellerait intensément : la nébuleuse du Crabe. Cette étoile à neutrons irradiant le milieu interstellaire brillerait de mille feux dans le « ciel gamma », alors qu’elle est invisible à l’œil nu... Autre image, même ciel.

De plus, les photons ne sont pas les seuls médiateurs du cosmos. D’autres « véhicules » peuvent également être utilisés. Les neutrinos sont des particules fantômes. Ils présentent une caractéristique exceptionnelle : ils n’interagissent pratiquement pas avec la matière qu’ils traversent. C’est une propriété fantastique. Ils ne sont ni dégradés ni absorbés : ils gardent donc l’empreinte des processus physiques qui les produisent. Il existe aussi des noyaux chargés : protons, hélium, béryllium… L’instrument AMS, sur lequel je travaille, est un énorme détecteur de telles particules, aujourd’hui placé sur la Station spatiale internationale. Il mesure ces « rayons cosmiques » à un rythme effréné, de l’ordre d’un millier par seconde. Les premiers résultats sont magnifiques ! Enfin, au-delà des neutrinos et des particules chargées, on peut aujourd’hui espérer détecter des ondes gravitationnelles. Il s’agit ni plus ni moins que d’observer directement la géométrie de l’univers ! La démarche est extrêmement complexe, parce que le phénomène est plus que ténu : ces ondes sont minuscules. Mais le jeu en vaut la chandelle, puisqu’il s’agira, pour la première fois dans l’histoire, de voir le cosmos avec des yeux de géomètre.

Des ondes radio aux photons gamma, des infrarouges aux ultraviolets, des neutrinos aux ondes gravitationnelles, chaque « médiateur » du cosmos dessine un autre monde. Tous ces mondes sont réels. Ils sont les facettes de notre univers. Ils nous parlent de son passé, de son origine, parfois de son devenir.

Comment l’univers pourrait-il ne pas être éternel ? On peut aisément admettre que les Hommes naissent et meurent. Que les planètes naissent et meurent. Mais comment le contenant, l’espace lui-même, pourrait-il naître ou mourir ? La raison imposerait de penser un univers éternel dans lequel se déploient des phénomènes temporels. C’est pourtant très exactement ce que vient contester le modèle du Big Bang. Bien que nous soyons maintenant habitués à cette idée de Big Bang, je pense qu’il est essentiel de ressentir à quel point elle est étrange.
Le modèle du Big Bang repose sur de nombreux piliers. Premièrement, le ciel de nuit est noir. Cette remarque désuète pointe en fait vers un véritable paradoxe. Si l’univers était statique et éternel, plus ou moins uniformément empli d’étoiles, il ne pourrait en être ainsi. Rien ici ne donne d’argument décisif en faveur du modèle du Big Bang. Mais cet état de fait montre au moins que l’image la plus intuitivement acceptable — un cosmos figé et existant de toute éternité — ne fonctionne pas.

Deuxièmement, l’argument décisif, le plus évident, le plus incontournable, le plus simple aussi, est très certainement l’observation de l’éloignement des galaxies. Chaquegalaxie observée dans l’univers s’éloigne de chaque autre. Découvert, dit-on, par Hubble (mais en réalité plutôt par l’astronome américain Vesto Slipher, ou même par le chanoine et physicien belge Georges Lemaître), ce phénomène est immensément lourd de conséquences. Il dessine immédiatement l’image d’un univers en expansion, à l’instar d’une gigantesque bombe en explosion.


Georges Lemaître (1894-1966), à gauche, et Edwin Hubble (1889-1953), à droite, sont les premiers à avoir observé l’éloignement des galaxies. Le télescope sur la gauche est le télescope Hooker du mont Wilson en Californie. Le télescope spatial Hubble est sur la droite. © A. Feild, Nasa, Esa

Troisièmement, dès lors que l’on observe un univers en expansion se pose inévitablement la question de son âge. Si, en effet, les points d’univers s’éloignent les uns des autres, il doit exister un instant où tous ces points se touchaient. À partir de la vitesse d’expansion observée, il est très facile d’inférer approximativement le temps qui nous sépare de cet événement primitif. Et de façon remarquable, les plus vieux objets astrophysiques ont un âge qui est proche de cette valeur, mais un peu inférieur. C’est un résultat très convaincant en faveur du modèle du Big Bang.

Quatrièmement, étant donné que la lumière se déplace à une vitesse finie, les objets lointains sont observés tels qu’ils étaient « dans le passé ». Or, en étudiant certaines galaxies, il apparut dès le milieu du XXe siècle que les plus proches différaient des plus lointaines. Autrement dit, puisque voir loin, c’est voir tôt, une évolution temporelle a eu lieu. C’est un argument décisif. Si l’univers existait de toute éternité, il n’y aurait aucune raison de se trouver en plein cœur d’une phase d’évolution.

Cinquièmement, la physique nucléaire est une science bien maîtrisée. On peut, grâce à elle, prédire ce que devraient être les abondances des différents atomes dans un modèle de type Big Bang. Aujourd’hui, ces études sont très sophistiquées, et à l’exception d’une légère tension pour le lithium 7 (un noyau comportant 3 protons et 4 neutrons), l’adéquation entre les prédictions et les mesures est remarquable. Ce bon accord entre les observations et les contraintes imposées par le modèle du Big Bang est un élément central et subtil en sa faveur.

Sixièmement, le rayonnement fossile est sans doute la découverte la plus importante de la cosmologie contemporaine. La mise en évidence d’un bain de « lumière » emplissant tout l’univers, de façon très homogène, et présentant exactement l’énergie attendue est un immense succès, et une confirmation éclatante du modèle du Big Bang. Le satellite Cobe en a mesuré la dispersion en température. L’histoire ne s’est pas achevée ici, et un second satellite, WMap, est allé beaucoup plus loin : il s’est intéressé plus en détail aux infimes différences de températures que présente ce rayonnement dans des directions différentes. Aujourd’hui, c’est Planck, un satellite de l’Esa, qui donne les meilleurs résultats concernant le rayonnement fossile, avec une sensibilité plusieurs centaines de fois supérieure à celle de WMap. Il permet d’affiner encore notre description quantitative du modèle du Big Bang et de construire une cosmologie de haute précision.


Le satellite Planck devant la carte la plus précise à ce jour des fluctuations de température du rayonnement fossile. Sa découverte est l’un des arguments forts en faveur du modèle du Big Bang. © Esa

Que nous dit la cosmologie à propos de la science ? Je crois que ce qui caractérise cette démarche n’est ni une visée ni une méthode. Je crois que c’est une tension. Une tension entre d’une part l’immense liberté dont jouit le chercheur, et d’autre part cette altérité absolue qui s’impose, parfois avec violence, lors de la découverte. Il y a incontestablement quelque chose de démiurgique dans l’élaboration d’un modèle scientifique. Une description du monde est évidemment aussi la création d’un monde.

Mettre une théorie sur pied (ou même donner sens à une observation) exige une immense liberté et une belle capacité d’invention. Mais en contrepoint, force est de constater que ce qui est vu n’est pas toujours ce qui était attendu. Peut-être même n’est-ce jamais exactement le cas. Une « extériorité » radicale semble être ici en mesure de reprendre ses droits. Ce subtil mélange entre le geste créatif du scientifique, finalement assez peu contraint, et la surprise qui, inéluctablement, se révèle lorsque le réel est plus intensément ou plus judicieusement scruté est sans doute constitutif de la spécificité de la démarche.

Bien sûr, les élaborations scientifiques sont socialement déterminées. Notre modèle cosmologique n’est évidemment pas insensible au contexte sociétal dans lequel il se dessine. Il dit pourtant quelque chose du monde. Quelque chose de correct. Quelque chose qui n’est pas une simple tautologie. Mais il le dit suivant une vérité qui est elle-même construite et contractuelle, réfutable et mortelle.

02/09/2013 - Par Aurélien Barrau, Enseignant chercheur cosmologie

Lire la suite :
http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/dossiers/d/cosmologie-dela-big-bang-balade-cosmologie-1679/#xtor=EPR-17-%5BQUOTIDIENNE%5D-20130916-%5BDOSS-Au-dela-du-Big-Bang-:-balade-en-cosmologie%5D

L’entropie des trous noirs

Source ici

Les trous noirs sont des objets célestes fascinants, qui chauffent quand ils perdent de l’énergie et dont il suffit de connaître la surface pour tout savoir d’eux. Mais comme la plupart des explications ressemble à quelque chose comme “le trou noir est une distorsion extrême de l’espace-temps et implique un effondrement gravitationnel qui émet des ondes de gravité”, on est vite refroidi lorsqu’on n’a pas son doctorat de physique théorique en poche. J’ai heureusement découvert les explications lumineuses de Leonard Susskind, passé grand maître dans l’art de vulgariser. Si vous avez à peu près suivi mes explications sur l’entropie (ici), vous devriez enfin comprendre pourquoi les trous noirs sont de fascinants objets d’étude…

1) La vitesse de libération

Si vous lancez une balle en l’air, elle vous retombera sur le nez tôt ou tard. A moins que vous ne vous appeliez Superman et que vous la lanciez suffisamment fort pour qu’elle échappe à l’attraction terrestre. Quelle est la vitesse minimale v qu’elle doit avoir (qu’on appelle vitesse de libération)? Pour la calculer, il suffit de calculer son énergie: à tout moment, son énergie cinétique vaut Ec=½ mv2 (m étant sa masse) et son énergie potentielle est Ep=-mMG/d (M étant la masse de la Terre, d la distance au centre de la Terre et G la constante gravitationnelle). Le signe moins vient du fait que l’énergie potentielle est nulle quand on est très loin de la Terre et augmente quand on s’en rapproche.
L’énergie totale vaut donc E= ½ mv2-mMG/d

La vitesse de libération correspond à la situation où la balle a juste assez d’énergie pour aller à l’infini, avec une vitesse résiduelle nulle. A l’infini son énergie potentielle est nulle et son énergie cinétique aussi. Son énergie totale est donc nulle. Comme elle se conserve tout au long de la trajectoire, on peut écrire qu’au moment du lancer ½ mv2 =mMG/R (R étant le rayon de la Terre). La vitesse de libération vaut ainsi et elle ne dépend pas de la masse de la balle.

Le calcul donne environ 11km/s (40 000 km/h): il est costaud Superman, quand même…

Une autre façon de voir la vitesse de libération. Source ici

2) Le trou noir de Schwarzschild

Maintenant qu’on sait calculer la vitesse de libération d’un astre, quittons la Terre et baladons-nous dans l’espace. Le calcul précédent est valable pour tout objet céleste.

Si l’astre concentre une masse gigantesque (M très grand) dans un volume très petit (R minuscule), rien n’empêche théoriquement d’avoir affaire à une quantité supérieure à la vitesse de la lumière c: Il suffit que sa masse tienne dans un rayon inférieur à R=2MG/c2.

Une particule à la surface d’un tel monstre céleste devrait avoir une vitesse supérieure à la lumière pour vaincre son attraction gravitationnelle. Autant dire que rien, pas même la lumière, n’échappe à son emprise une fois posé dessus. C’est la raison pour laquelle notre modèle très simple s’appelle un trou noir de Shwarzschild.

La formule qui relie le rayon à la masse est un peu magique parce qu’on l’obtient avec des connaissances de lycéen et qu’elle recèle des tas de propriétés fascinantes…

3) Rayon, énergie et température

R est appelé l’horizon du trou noir, c’est-à-dire la distance en deçà de laquelle un objet est définitivement absorbé dans le trou noir et ne pourra plus s’en échapper. Première caractéristique: l’horizon d’un trou noir est directement proportionnel à sa masse. La constante de proportionnalité, 2G/c2, est de l’ordre de 10-27, un nombre riquiqui! Pour que le soleil (1030kg) devienne un trou noir, il faudrait que son rayon soit inférieur à 3km (au lieu des 700 000 km actuels). Et un trou noir ayant la masse de la Terre (1025kg) aurait l’ordre de grandeur du centimètre! Un trou noir est donc vraiment super dense…

Grâce à la fameuse équation E=Mc2, qui exprime l’équivalence entre masse et énergie, on peut calculer l’énergie d’un trou noir, en négligeant toutes les autres formes d’énergie possibles telles que rotation, charge électrique etc. Mais après tout on n’en est plus à une approximation près et en injectant la formule R=2MG/c2 et en mélangeant, on découvre une seconde propriété intéressante: l’énergie du trou noir est directement proportionnelle à son rayon: E=Rc2/2G. Plus un trou noir est grand, plus il a d’énergie.

On peut calculer la température d’un trou noir, mais c’est un peu plus sioux. Par définition, la température d’un corps se mesure à la quantité d’énergie qu’il faut lui fournir pour augmenter son entropie d’une unité (T est proportionnel à dE/dS, donc à dE pour dS=1 unité). Or je vous ai expliqué (dans ce billet) que l’entropie mesure une quantité d’informations. L’augmenter d’une unité c’est donc ajouter un bit d’informations au système. Comme on n’a pas de bit sous la main (ouais, bon je vous laisse ricaner bêtement), on ajoute la particule la plus simple qu’on puisse trouver: un photon. Le problème c’est que l’énergie d’un photon dépend de sa longueur d’onde. Quelle longueur d’onde faut-il choisir pour que l’ajout du photon apporte le moins d’information possible? Un peu de physique va nous mettre sur la voie:

• si la longueur d’onde du photon est très petite par rapport au rayon R du trou noir, on pourra savoir exactement où a atterri notre photon, et cette information vaut plus qu’un bit…
• si sa longueur d’onde est trop grande par rapport à R, le photon risque de ne pas entrer dans le corps noir et on n’est pas sûr d’avoir ajouté un bit d’information.

Conclusion: il faut que notre photon-bit ait une longueur d’onde de l’ordre de R. C’est un raisonnement un peu “avec les mains” mais qui tient la route. L’énergie d’un tel photon vaut dE=hc/R et -si vous avez suivi le raisonnement- cette énergie mesure la température du trou noir. Autant vous dire qu’il y fait vraiment froid: la température d’un trou noir ayant la masse du soleil (un million de fois plus petit que celui qui est au centre de notre galaxie) est de l’ordre du millionième de Kelvin. A côté, le reste de l’univers est torride avec ses 2,7K!

L’impossible équilibre thermique

A bien y regarder, la formule T~1/R qui exprime la température du trou noir est très surprenante. Elle prédit que sa température est inversement proportionnelle à son énergie (puisque l’énergie du trou noir est proportionnelle à son rayon). D’habitude plus un corps accumule de l’énergie, plus sa température augmente: là c’est exactement l’inverse: plus notre trou noir est massif/énergétique/grand, plus il est froid. Un peu comme les étoiles qui lorsqu’elles ont épuisé leur carburant d’hydrogène se contractent sur elles-mêmes et voient leur température augmenter sous l’effet des réactions nucléaires.

Cette bizarrerie a une conséquence étrange: un trou noir ne peut jamais être en équilibre thermique avec son environnement. Imaginez en effet qu’il soit à la même température que le reste du monde. L’équilibre thermique c’est une affaire de statistiques: il y a autant de particules qui entrent et qui sortent du trou noir à chaque instant. Vous me direz qu’aucune particule n’est censé en sortir. C’est sans doute vrai en physique classique, mais en mécanique quantique cet événement n’est statistiquement pas impossible. Supposez donc qu’une particule (un photon par exemple) en sorte par effet tunnel. Le trou noir perd un peu d’énergie donc sa température augmente un chouÏa. Comme il est devenu plus chaud que son environnement, il a tendance à rétrocéder de l’énergie à son environnement, ce qui accroît encore sa température. Par ce phénomène d’emballement le trou noir s’échauffe de plus en plus jusqu’à son évaporation complète.

A l’inverse, si le trou noir en équilibre thermique absorbe une particule au lieu d’en céder une, il grossit, donc il refroidit ce qui attire à lui de l’énergie, qui le fait grossir donc refroidir etc. Cette fois le trou noir se fait vorace glacial et finit par engloutir tout son environnement. Dans les deux cas, le trou noir ne reste jamais à température ambiante: soit il disparaît, soit il absorbe tout ce qui l’entoure…

Le principe holographique

Continuons un peu notre exploration de ce modèle super simple qu’est le trou noir de Shwarzschild et intéressons nous à sa surface. Ou plus exactement à la surface de son horizon. La force gravitationnelle ne dépendant que de la distance au centre de gravité du trou noir,cette surface est l’enveloppe d’une sphère parfaite d’aire A=4πR2.

Puisqu’on connaît à la fois sa température et son aire, on peut calculer la luminosité que rayonne un trou noir (c’est la loi de Stephan Bolzman): L~AT4. En remplaçant A et T par leur expression en fonction de R, on trouve une luminosité proportionnelle à 1/R2. Encore une drôle de propriété: plus le trou noir est massif, moins il est visible malgré sa taille de plus en plus imposante! Lorsqu’il s’évapore, sa taille se réduit, il devient de plus en plus lumineux. Comme la luminosité représente la quantité d’énergie rayonnée thermiquement, l’évaporation accélère (proportionnellement à 1/R2) jusqu’à l’explosion finale du trou noir.

On a vu qu’ajouter un bit d’information au trou noir augmente sa masse de dM=dE/c2 =h/Rc. Son rayon s’accroît alors de dR=2hG/Rc3 et l’aire de dA = 8πRdR = 16πhG/c3 qui est une constante. Chaque bit d’information contribue ainsi de façon identique à l’accroissement de la surface du trou noir, comme des pixels de taille fixes qui s’ajouteraient pour agrandir une image. Comme l’entropien’est autre que le nombre de bits qu’il contient, elle est proportionnelle à l’aire totale. Plus précisément on trouve que S~c3A/hG. h étant très petit, l’entropie d’un trou noir est immense. D’habitude la constante de Planck apparaît au numérateur des formules car sa très petite valeur explique que les effets quantiques sont souvent imperceptibles. Ici on a affaire à l’une des rares formules de physique macroscopique (voire même gigascopique!) où elle intervient au dénominateur et empêche l’entropie du trou noir de grimper à l’infini. Je parie que le jour où l’on trouvera l’équation du Big Bang conciliant physique quantique et relativité générale, il y aura une constante de Planck au dénominateur qui expliquera pourquoi il n’y a pas de singularité à l’instant 0…

Puisque l’entropie du trou noir est proportionnelle à son aire, cela signifie que toute l’information contenue dans le trou noir est concentrée à sa surface. Pas la peine de s’embêter à décrire ce qu’il y a en dessous: un modèle qui décrirait parfaitement cette surface contiendrait automatiquement tout ce qu’il y a à savoir sur l’ensemble du trou noir, intérieur compris. C’est ce que les cosmologues appellent le principe holographique! Ce n’est pas si compliqué à comprendre après tout? (Mmhh? Si un peu quand même. Bon d’accord).

Evidemment tout ce que je vous ai expliqué là est bourré d’approximations, ça manque de précision et de justifications. Mais je trouve remarquable la démarche de Leonard Susskind, qui s’efforce de rendre accessible des phénomènes très complexes aux amateurs de physique, en justifiant tout qualitativement et avec le minimum de formalisme mathématique possible (sa série de cours s’appelle d’ailleurs “the theoretical minimum”). C’est une bonne manière d’enseigner la physique pour en faire comprendre l’esprit plutôt que d’enseigner des formules dont on ne comprend pas l’origine et qu’on aura très vite oublié.

Je trouve également tout à fait fascinant que les raisonnements ci-dessus puissent être à la fois convaincants pour le profane, réfutables (ils mènent à des prédictions vérifiées)… et en même temps assez peu valides, car on n’a pas le droit de raisonner sur des trucs aussi massifs sans prendre en compte les effets relativistes. Une belle leçon d’humilité scientifique en quelque sorte…

Sources:
L Susskind: Statistical Mechanics Lecture 5 (à partir de la 54eme minute)
L’article de Wikipedia est très bien fait

Billets connexes:
Au fait c’est quoi l’entropie?: pour comprendre le lien entre entropie, information et température
Cosmologie fastoche: trois billets pour comprendre l’origine de l’univers (1, 2 et 3)
Big Bang: une erreur de genèseSi la relativité générale m’était contée

14/09/2013By Xochipilli

http://webinet.cafe-sciences.org/articles/lentropie-des-trous-noirs/

Troublant trou noir

Le trou noir super-massif situé au centre de notre galaxie peine à s’alimenter : la matière qui l’environne est formée d’un flot de gaz très chaud qui parvient à s’échapper avant d’être attirée et engloutie. Cette découverte explique la faible luminosité de ce trou noir comparé à ses congénères qui sont habituellement illuminés par la matière en rotation autour d’eux.

Source : Science, 30 aout 2013

http://www.universcience.fr/fr/science-actualites/breve-as/wl/1248139227611/troublant-trou-noir/

Les Trous Noirs font le Ménage

Il faut encore que je vous parle des trous noirs. Vous vous en souvenez, on sait qu'il existe un lien étroit entre la masse du trou noir central d'une galaxie et la masse totale de la galaxie. Le rapport est à peu près constant pour la grande majorité des galaxies dans lesquelles on a pu détecter la présence de l'astre sombre : 1 pour 1000. La masse du trou vaut 1 millième de celle de la galaxie entière et ce quelle que soit la galaxie.

C'est étonnant et considérable surtout quand on connaît les dimensions respectives de ces deux éléments et quand on sait que la masse des trous noirs en question peut s'étaler entre le million de masses solaires et la dizaine de milliards. Le fait qu'il semble exister un lien entre la masse d'un trou noir central et sa galaxie hôte laisse supposer une relation privilégiée, une coévolution comme l'appelle les astrophysiciens. Certains modèles de formation des galaxies proposent même que le trou noir central produit un mécanisme qui tend à réguler le grossissement de la galaxie.

Image en radio de la galaxie 4c12.50 située à 1,5 milliards
d'A.L (Morganti et al., NRAO/AUI/NSF)

On ne peut que se demander comment un objet aussi petit - l'horizon d'un trou noir supermassif ne dépasse guère la taille du système solaire - peut influer sur l'ensemble aussi vaste qu'est une galaxie (plusieurs dizaines de milliers d'années-lumière de diamètre).
Une équipe de chercheurs vient de trouver un début de piste en étudiant le noyau actif d'une galaxie qui abrite (bien sûr) un géant obscur. Il s'agit de 4C12.50, qui est classé dans les noyaux de galaxie infrarouges ultralumineuses (des ULIRGs selon l'acronyme anglais).

Ce que montrent Rafaella Morganti et ses confrères, de l'Université de Groningen aux Pays-Bas, c'est que les jets radio puissants produits par le trou noir n'interagissent pas seulement avec le gaz chaud peu dense du milieu interstellaire, ce qu'on pensait jusqu'alors, mais aussi avec le gaz d'hydrogène moléculaire, froid, beaucoup plus dense, celui qui est l'origine de la formation des étoiles par concentration gravitationnelle.

Implantation du réseau de radiotélescopes VLBA (NASA)

Ils sont parvenus à mesurer la vitesse de déplacement d'une portion de nuage de gaz froid situé à 350 années-lumière du trou, sur lequel arrivait le jet du trou noir par derrière. Ils trouvent une vitesse de 1000 km/s pour un flux de matière de l'ordre de 20 masses solaires/an.
Ces observations ont été effectuées grâce à des réseaux de radiotélescopes en mode interférométrique à très longue distance (VLBA, VLA, Effelsberg, Westerbork et Onsala), qui permettent de visualiser des détails très fins.

Les trous noirs supermassifs grâce à leurs jets radio expulsent ainsi des quantités de matière non négligeables loin des zones de formation d'étoiles dans la galaxie. En d'autres termes, ils font le ménage autour d'eux en empêchant leur galaxie de continuer de grossir en produisant des étoiles, mais en même temps ils éloignent loin d'eux la matière qui leur aurait permis de grossir eux-mêmes d'avantage...

Référence :
Radio Jets Clearing the Way Through a Galaxy: Watching Feedback in Action
Raffaella Morganti et al.
Science 341, 1082 (6 spetember 2013)

samedi 7 septembre 2013

http://drericsimon.blogspot.com/2013/09/les-trous-noirs-font-le-menage.html

Phénomène rare : un trou noir supermassif avale une étoile

Le Monde.fr avec AFP | 02.05.2012 à 21h14 • Mis à jour le 03.05.2012 à 02h14

Cette image de la NASA montre la gaz émis par une étoile en train de se faire aspirer par un trou noir. | AFP/S. Gezari and J. Guillochon

Des astronomes ont eu le rare privilège d'assister "en temps réel" à l'aspiration par un trou noir supermassif d'une étoile qui s'approchait trop près de lui. Selon les scientifiques, un tel phénomène ne survient en moyenne qu'une fois tous les dix mille ans dans une galaxie donnée.

"Les trous noirs sont un peu comme les requins, on considère à tort que ce sont de perpétuelles machines à tuer. En réalité, ils restent calmes durant la majeure partie de leur vie. Mais occasionnellement, une étoile s'aventure trop près, et c'est là que la frénésie carnassière se déclenche", explique Ryan Chornock, du centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian, coauteur de l'étude publiée mercredi dans la revue Nature.

Des trous noirs supermassifs, d'une masse comprise entre un million et un milliard de fois celle de notre Soleil, sont tapis au centre de la plupart des galaxies de l'Univers. On peut en détecter certains grâce au rayonnement intense qu'ils émettent lorsqu'ils aspirent des gaz situés dans leur voisinage. Mais si l'environnement des trous noirs est pauvre en gaz, ce rayonnement est faible. Il est donc particulièrement ardu d'étudier les trous noirs "dormants", sauf à lessurprendre en pleine action, ce que sont parvenus à faire Ryan Chornock et Suvi Gezari, de l'université américaine Johns Hopkins.

"DIGESTION" DU CŒUR D'UNE GÉANTE ROUGE

Le 31 mai 2010, dans l'objectif du télescope Pan-Starrs 1 à Hawaï, ils ont découvert une lueur inattendue provenant du cœur d'une galaxie située à 2,7 milliards d'années-lumière. La lueur est devenue de plus en plus intense pouratteindre son point culminant le 12 juillet, avant de s'évanouir progressivement."Nous avons observé la fin d'une étoile et sa digestion par le trou noir en temps réel", explique Edo Berger, qui a participé à l'étude.

Cette lueur émanait d'un trou noir supermassif qui était jusqu'alors à l'état "dormant", une masse d'environ trois millions de fois celle du Soleil, équivalent à celle du trou noir situé au centre de la Voie Lactée, notre galaxie. L'étoile engloutie par ce trou noir était tellement proche de lui que les "forces de marée" générées par le champ de gravité du trou noir l'ont littéralement démembrée. Les gaz qui la constituaient ont alors été aspirés par le trou noir, subissant une telle élévation de température qu'ils ont produit la lueur observée par les astronomes.

Les analyses du phénomène ont révélé qu'en l'occurrence le trou noir s'était gorgé de grandes quantités d'hélium. Cela signifie que l'étoile absorbée était le cœur d'une "géante rouge". L'enveloppe d'hydrogène qui constituait son atmosphère avait vraisemblablement déjà été digérée lors d'un précédent passage aux abords du trou noir. "L'étoile avait de peu survécu à sa première rencontre avec le trou noir, et le deuxième round lui a été fatal", résume Ryan Chornock.

De son côté, "Sgr A*" (Sagittarius A étoile), le trou noir supermassif se trouvant au centre de notre galaxie, s'apprête à engloutir prochainement un gros nuage de gaz qui s'en approche. La vitesse de ce nuage a déjà quasiment doublé au cours des sept dernières années et atteint déjà 8 millions de km/h. Durant l'été 2013, le nuage s'approchera à 40 milliards de km de "l'horizon des événements" du trou noir, limite à partir de laquelle ce qui s'y passe reste inaccessible, aucune matière ni lumière ne pouvant s'en échapper pour nous le dévoiler.

http://www.lemonde.fr/sciences/article/2012/05/02/phenomene-rare-un-trou-noir-supermassif-avale-une-etoile_1694409_1650684.html#xtor=RSS-3208

Qu'est-ce qu'un trou noir?

Ce n'est pas du vide. Au contraire, c'est un corps céleste composé de matière extrêmement compactée. Résultat : une masse colossale qui empêche toute forme de matière ou de rayonnement, comme la lumière par exemple, de s'échapper. Mario Masson et Jeannita Richard nous font découvrir une nouvelle génération de télescopes qui lèvent le voile sur ces monstres cosmiques.

Regarder le reportage de Mario Masson et Jeannita Richard

Reportage du dimanche 25 mars 2012

http://www.radio-canada.ca/emissions/decouverte/2011-2012/Reportage.asp?idDoc=210136&autoPlay=http://www.radio-canada.ca/Medianet/2012/CBFT/2012-03-25_18_30_00_dec_3022_02_800.asx

De quoi les trous noirs supermassifs sont-ils faits ?

Une équipe de chercheurs internationale a réussi à caractériser l’environnement d’un trou noir de type supermassif grâce à 2 satellites de l’ESA. De quoi s’agit-t-il ?

Pour le savoir, un coup de fil à Pierre-Olivier Petrucci, astrophysicien au CNRS.

Durée : 3’20.

Télécharger le fichier mp3

 

12 octobre 2011

http://podcasts-cnes.fr/2011/10/

Un trou noir géant surpris en train d'engloutir une étoile

Astronomie | Un trou noir géant a été surpris alors qu'il commençait à disloquer une étoile qui passait trop près de lui. C'est la première fois que l'on assiste au "réveil" d'un de ces super-gloutons.

© KEYSTONE | Une étoile en train de se faire disloquer par un trou noir.

Des astronomes ont assisté au réveil d’un trou noir géant, un monstre cosmique, surpris alors qu’il disloquait et avalait une étoile passant trop près, selon deux études publiées dans la revue scientifique britannique Nature .

Un flux de rayons gamma captés par le satellite Swift a trahi le repas de l’ogre du cosmos, un trou noir aussi massif qu’un million de soleils, comme celui situé au coeur de notre galaxie La Voie Lactée.

La plupart des galaxies abritent en leur centre un trou noir qui peut avoir la masse de millions, voire de milliards d’étoiles semblables au Soleil.

Ces trous noirs super-massifs peuvent piéger dans leur champ de gravité des étoiles qui sont détruites par des effets de marée. La partie de l’étoile la plus proche du trou noir est soumise à une force de gravité plus grande que sa face plus éloignée. L’étoile est étirée et finit par se disloquer.

Puissant rayonnement
Les débris ne tombent pas directement dans le trou noir. Avant d’être engloutis, ils spiralent à grande vitesse autour de ce glouton, émettant un puissant rayonnement. Des émissions résiduelles résultant de ce processus avaient déjà été détectées dans des galaxies lointaines.

Les signaux captés à partir du 25 mars par le satellite Swift avaient mis en alerte les astronomes.

Compte tenu des caractéristiques du rayonnement et de son évolution, ils estiment avoir été pour la première fois témoins de la dislocation d’une étoile et de la naissance du puissant rayonnement résultant de l’accrétion de sa matière autour d’un massif trou noir.

"Le début d’un tel événement (...) n’avait pas été observé jusqu’alors", souligne David Burrows (Université de l’Etat de Pennsylvanie, Etats-Unis) qui a analysé avec son équipe les rayons X émis.

Ils se sont révélés 10'000 fois plus lumineux que prédit par la théorie, souligne un expert, Davide Lazzati (Université de l’Etat de Caroline du Sud, Etats-Unis) dans Nature, faisant état des "surprises" des astronomes.

L’équipe d’Ashley Zauderer (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Etats-Unis) qui a analysé les ondes radio émises, conclut que leur source coïncide avec le centre de la galaxie et estime que le trou noir central correspond à 1 million de masse solaire.

Le jet de particules associées au rayonnement se propage à des vitesses proches de celle de la lumière. L’émission d’un tel jet "n’était pas prévue dans cette situation", relèvent les chercheurs, qui estiment néanmoins que la dislocation gravitationnelle d’une étoile "explique naturellement" les propriétés du rayonnement observé.

Comment un trou noir mange-t-il une étoile?


Mega trou noir par sciencesetavenir


AFP | 24.08.2011 | 18:05

http://www.tdg.ch/trou-noir-geant-surpris-train-engloutir-etoile-2011-08-24