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Les scientifiques ont confirmé, pour la première fois, que la structure de l’espace-temps elle-même fait un « plongeon final » au bord d’un trou noir.
Cette région de naufrage autour des trous noirs a été observée par des astrophysiciens en physique de l’Université d’Oxford et contribue à valider une prédiction clé de la théorie de la gravité d’Albert Einstein de 1915 : la relativité générale.
L’équipe d’Oxford a fait cette découverte en se concentrant sur les régions autour des trous noirs de masse stellaire dans les binaires avec des étoiles compagnons relativement proches de la Terre. Les chercheurs ont utilisé des données de rayons X collectées à partir d’un ensemble de télescopes spatiaux, notamment le réseau de télescopes spectroscopiques nucléaires de la NASA (NuSTAR) et le Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) montés sur la Station spatiale internationale.
Ces données leur ont permis de déterminer le sort du gaz et du plasma ionisés chauds qui ont été extraits de l’étoile compagnon et ont effectué leur plongée finale jusqu’au bord du trou noir associé. Les résultats ont montré que les régions dites englouties autour du trou noir sont les sites de certaines des régions d’influence gravitationnelle les plus fortes jamais observées dans notre Voie Lactée.
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« Il s’agit du premier aperçu de la façon dont le plasma, décollé du bord extérieur de l’étoile, subit sa chute finale au centre du trou noir, un processus qui se produit dans un système situé à environ 10 000 années-lumière », a déclaré le chef de l’équipe. et le physicien de l’Université d’Oxford Andrew Mummery. » a-t-il déclaré dans un communiqué. « La théorie d’Einstein avait prédit cette baisse récente, mais c’est la première fois que nous pouvons prouver que cela s’est produit.
« Pensez-y comme à une rivière qui se transforme en cascade. Jusqu’à présent, nous regardions la rivière. C’est notre première vue d’une cascade. »
D’où vient le naufrage d’un trou noir ?
La théorie de la relativité générale d’Einstein suggère que les objets ayant une masse déforment le tissu de l’espace et du temps, unis en une seule entité à quatre dimensions appelée « espace-temps ». La gravité résulte de la courbure qui en résulte.
Bien que la relativité générale fonctionne de manière quadridimensionnelle, elle peut être vaguement illustrée par une analogie grossière en deux dimensions. Imaginez placer des balles de masses croissantes sur une feuille de caoutchouc étirée. Une balle de golf peut provoquer une petite entaille presque imperceptible ; Une balle de cricket peut créer une bosse plus grande ; Et la boule de bowling a fait une énorme brèche. Ceci est similaire aux lunes, planètes et étoiles « affectant » l’espace-temps à quatre dimensions. À mesure que la masse d’un objet augmente, la courbure qu’il provoque augmente et donc l’effet de la gravité augmente. Le trou noir serait un boulet de canon sur cette couche de caoutchouc similaire.
Avec des masses équivalentes à des dizaines, voire des centaines, de soleils compressés sur une largeur proche de la largeur de la Terre, la courbure de l’espace-temps et l’influence gravitationnelle des trous noirs de masse stellaire pourraient devenir assez extrêmes. Les trous noirs supermassifs, en revanche, sont une toute autre histoire. ils Significativement Massifs, avec des masses équivalentes à des millions, voire des milliards de Soleils, éclipsant même leurs homologues de masse stellaire.
Revenant à la relativité générale, Einstein a suggéré que cette courbure de l’espace-temps conduit à d’autres physiques intéressantes. Par exemple, dit-il, il doit y avoir un point juste à l’extérieur des limites du trou noir, où les particules ne pourront plus suivre une orbite circulaire ou stable. Au lieu de cela, la matière entrant dans cette région se précipitera vers le trou noir à des vitesses proches de la lumière.
Comprendre la physique de la matière dans cette hypothétique région de trou noir est un objectif des astrophysiciens depuis un certain temps. Pour résoudre ce problème, l’équipe d’Oxford a étudié ce qui se passe lorsque des trous noirs existent dans un système binaire avec une étoile « normale ».
Si les deux sont suffisamment proches ou si cette étoile est légèrement gonflée, l’influence gravitationnelle du trou noir peut éloigner la matière stellaire. Étant donné que ce plasma est doté d’un moment cinétique, il ne peut pas tomber directement dans le trou noir. Il forme donc un nuage plat et rotatif autour du trou noir appelé disque d’accrétion.
À partir de ce disque d’accrétion, la matière est progressivement introduite dans le trou noir. Selon les modèles d’alimentation des trous noirs, il doit y avoir un point appelé orbite circulaire stable la plus interne (ISCO), le dernier point où la matière peut rester en rotation stable dans un disque d’accrétion. Toute matière au-delà se trouve dans la « zone de naufrage » et commence sa descente inévitable dans la bouche du trou noir. Le débat sur la possibilité de découvrir cette région engloutie a été réglé lorsque l’équipe d’Oxford a détecté des émissions au-delà des disques d’accrétion ISCO autour d’un trou noir binaire dans la Voie lactée appelé MAXI J1820+070.
Situé à environ 10 000 années-lumière de la Terre avec une masse équivalente à environ huit soleils, le trou noir de MAXI J1820+070 extrait la matière de son compagnon stellaire tout en tirant deux jets à environ 80 % de la vitesse de la lumière ; Ils produisent également de fortes émissions de rayons X.
L’équipe a découvert le spectre de rayons X de MAXI J1820+070 dans une explosion « à l’état mou », qui représente une émission d’un disque d’accrétion entourant un trou noir en rotation, ou un « kerr », qui est un disque d’accrétion complet, comprenant le piston. région.
Les chercheurs affirment que ce scénario représente la première détection forte d’une émission provenant d’une région engloutie au bord interne du disque d’accrétion d’un trou noir ; Ils appellent ces signaux des « émissions intra-ISCO ». Ces émissions au sein d’ISCO confirment l’exactitude de la relativité générale dans la description des régions entourant immédiatement les trous noirs.
Pour poursuivre ces recherches, une équipe distincte du département de physique de l’Université d’Oxford collabore avec une initiative européenne visant à construire le télescope millimétrique africain. Ce télescope devrait améliorer la capacité des scientifiques à prendre des images directes des trous noirs et permettre l’examen des régions englouties des trous noirs éloignés.
« Ce qui est vraiment excitant, c’est qu’il existe de nombreux trous noirs dans la galaxie et que nous disposons désormais d’une nouvelle technique puissante à utiliser pour étudier les champs gravitationnels les plus puissants connus », a conclu Mummery.
Les recherches de l’équipe sont publiées dans la revue Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
