L'histoire des trous noirs supermassifs se lit dans leur rotation

Lorsque le mathématicienmathématicien Roy Kerr a découvert sa fameuse solution des équations de la relativité générale en 1963, la seule chose qui était clairement établie était qu'elle devait décrire un corps en rotation. Ce n'est vraiment qu'autour de 1968 que l'on a commencé à bien comprendre ses propriétés avec les travaux de chercheurs comme Brandon Carter. Il s'agissait d'une solution des équations d'EinsteinEinstein décrivant un trou noir en rotation. Depuis, cette solution et ces perturbations ont été considérablement étudiées. Elle a permis de modéliser les noyaux actifs de galaxie que sont les quasars. Dans quelques décennies, on devrait pouvoir vérifier précisément plusieurs prédictions tirées de cette solution avec des projets comme eLisa et Event Horizon Telescope.

Les scientifiques s'en servent aujourd'hui pour tenter de comprendre l'origine des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs au cœur des grandes galaxies. Il existe une relation entre la masse d'un de ces trous noirs et celle de la galaxie qui l'héberge. Cela suggère que les trous noirs supermassifs et les galaxies croissent de pair. Cela se ferait principalement à l'occasion de la fusion entre deux galaxies entrées en collision. De fait, on observe des galaxies avec deux trous noirs géants n'ayant pas encore coalescé. D'autres modèles de croissance des trous noirs supermassifs et des galaxies sont aussi considérés avec attention. Ils ne font pas intervenir des événements aussi violents que des collisions entre deux grandes galaxies, mais par exemple l'accrétionaccrétion de larges filaments de matièrematière, des courants froids.

Croissance énigmatique des trous noirs supermassifs

On tente de départager les deux théories, qui sont d'ailleurs peut-être complémentaires. L'une des méthodes utilisées consiste à mesurer les moments cinétiquesmoments cinétiques d'un grand nombre de trous noirs supermassifs et voir comment ceux-ci ont évolué au cours de l'histoire du cosmos observable. Ce n'est pas une tâche facile, car déterminer le moment cinétique d'un trou noir supermassif voilà des milliards d'années veut dire que l'on doit observer un objet situé à des milliards d'années-lumièreannées-lumière.

Heureusement, comme l'ont prouvé des astronomesastronomes dans un article publié dans Nature, il est possible d'utiliser l'effet de lentille gravitationnellelentille gravitationnelle pour observer ces astresastres lointains. Une galaxie elliptiquegalaxie elliptique géante a ainsi servi de loupe pour étudier le quasarquasar RX J1131-1231 situé à environ six milliards d'années-lumière de la Voie lactéeVoie lactée. L'effet de lentille est si important que l'on observe avec HubbleHubble un anneau d’Einstein dans le visible. Mais ce sont surtout les images démultipliées du quasar dans le domaine des rayons Xrayons X qui ont été précieuses pour les chercheurs.

La galaxie elliptique responsable de l'anneau d'Einstein est bien visible en son centre sur cette image. De part et d'autre sur l'anneau, on voit les images multiples du quasar RX J1131-1231. La mesure précise du moment cinétique d'un trou noir supermassif sur ce quasar bat un record de distance avec six milliards d'années-lumière. Précédemment, les records étaient de 4,5 et 2,7 milliards d'années-lumière. © Rayons X : Nasa, CXC, université du Michigan, R. C. Reis et al. ; optique : Nasa, STScI

ChandraChandra et XMM NewtonNewton ont été mis à contribution pour étudier ces images, et elles ont permis de plonger au cœur du quasar pour en tirer des renseignements sur le disque d'accrétiondisque d'accrétion entourant le trou noir supermassif à l'origine de l'extraordinaire luminositéluminosité de RX J1131-1231.

Rayons X réfléchis par un disque d'accrétion

Pour comprendre ce qu'ont mesuré les astronomes, il faut savoir que le gazgaz et les poussières qu'engloutit un tel trou noir sont tellement chauffés par le processus qu'ils forment une sorte d'équivalent de la couronne solaire chauffée à plusieurs millions de degrés autour du trou noir. Les rayons X émis vont se réfléchir en partie sur la zone interne du disque d'accrétion du trou noir. Or, le champ de gravitationgravitation de l'astre compact va modifier le spectrespectre des rayons X réfléchis en l'altérant, de telle sorte qu'il est possible d'en déduire la distance séparant le bord interne du disque d'accrétion de l'horizon du trou noir. La solution de Kerr implique que cette distance est d'autant plus faible que le trou noir possède un moment cinétique important et tourne rapidement sur son axe. En effet, cette rotation « entraîne » avec elle une partie de l'espace, comme c'est le cas pour les corps en rotation en relativité générale (la sonde Gravity Probe B a mis en évidence ce phénomène avec la Terre), ce qui veut dire qu'elle fournit en quelque sorte une force centrifugeforce centrifuge supplémentaire à la matière autour du trou noir pour rester en orbiteorbite à une distance peu importante.

Dans le cas de RX J1131-1231, la distance séparant le trou noir du bord interne de son disque d'accrétion est d'environ trois fois le rayon de l'horizon des événementshorizon des événements du trou noir. Cela signifie qu'il tourne particulièrement rapidement sur lui-même, avec des vitessesvitesses pouvant atteindre la moitié de celle de la lumière. Pour les chercheurs, cela signifie que la croissance du trou noir supermassif il y a plus de six milliards d'années s'est faite principalement à l'occasion de collisions entre galaxies avec fusion des trous noirs centraux. Si tel n'avait pas été le cas, des accrétions successives de matière par simple accrétion de gaz venant de direction aléatoire n'auraient pas conduit à une croissance aussi forte du moment cinétique.

En employant la même méthode, basée sur la réflexion des rayons X par le disque d'accrétion d'un trou noir, pour constituer un échantillonnageéchantillonnage des moments cinétiques des trous noirs supermassifs sur une longue période de l'histoire du cosmoscosmos, les astrophysiciensastrophysiciens et cosmologistes disposent donc d'un outil de plus pour percer les secrets de l'origine et de l'histoire des trous noirs supermassifs.