Les trous noirs stellaires accrétant de la matière et émettant en réponse des rayons X sont-ils bien des trous noirs ou sont-ils simplement des étoiles à neutrons ? Une nouvelle méthode montre une spectaculaire différence suggérant fortement la présence d'un horizon des événements, la signature indubitable d'un trou noir.
au sommaire
La notion de trou noir a été esquissée une première fois en 1784 par le révérend anglais John Michell dans le cadre de la théorie newtonienne de la gravitation. L'idée était simple et naturelle, surtout du temps où la théorie de la lumière, alors largement dominante, était celle de Newton qui en faisait des particules analogues à celles de la matière. Un corps suffisamment compact pour une massemasse donnée devait avoir un champ de gravitation assez fort pour empêcher ces particules de lumière de s'échapper de ce corps. On connaissait la vitessevitesse de ces particules de lumière depuis les travaux de l'astronomeastronome danois Ole Römer, en 1676.
Le concept a été redécouvert peu après en 1796 par Pierre-Simon de LaplacePierre-Simon de Laplace, mathématicienmathématicien, philosophe et astronome, grand maître de la mécanique céleste. Le passage suivant, extrait de son livre Exposition du Système du Monde (une version vulgarisée, si l'on peut dire, des théories astronomiques de l'époque), est célèbre : « Un astreastre lumineux, de la même densité que la Terre, et dont le diamètre serait 250 fois plus grand que le SoleilSoleil, ne permettrait, en vertu de son attraction, à aucun de ses rayons de parvenir jusqu'à nous. Il est dès lors possible que les plus grands corps lumineux de l'UniversUnivers puissent, par cette cause, être invisibles. ».
Du visible aux ondes radio, l'histoire des théories de la lumière. © Synchrotron Soleil
Mais le début du XIXe siècle va voir cette intuition visionnaire tomber dans l'ombre. Laplace lui-même n'en parlera plus dans une édition ultérieure de son traité paru après la découverte par Fresnel et Young d'une théorie ondulatoire de la lumière (voir à ce sujet les explications éclairantes dans le livre du prix Nobel Max Born). Si la lumière n'est pas composée de sortes de particules matérielles, comment concevoir une action de la gravitation sur elle ?
Toujours est-il que le concept de trou noir va réémerger après la découverte par EinsteinEinstein de sa théorie de la relativité généralerelativité générale. Mais, il faudra attendre les années 1960 avec les travaux de John Wheeler, Roger PenroseRoger Penrose, Stephen HawkingStephen Hawking et Yakov Zeldovich en particulier, pour qu'il soit rigoureusement et vigoureusement développé, ainsi que ses signatures observationnelles possibles en astrophysiqueastrophysique.
Le cosmologiste et astrophysicien russe Rashid Sunyaev a reçu la médaille Benjamin Franklin de physique 2012 pour ses contributions monumentales à la compréhension de l'Univers primitif et des propriétés des trous noirs. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © The Franklin Institute
Pas de trou noir sans horizon des événements
Aujourd'hui, l'affaire est presque entendue, les trous noirs existeraient bien et ils sont partout, même au centre des galaxiesgalaxies comme semblent le montrer en particulier les observations de M87*M87* avec l'Event Horizon Telescope et celles de LigoLigo et VirgoVirgo qui laissent penser que les fameux modes quasi normaux des trous noirs sont bien là.
Mais attention, le concept de trou noir repose maintenant exclusivement en espace-tempsespace-temps courbe sur la notion d'horizon des événementshorizon des événements. Rien à voir avec l'existence d'une singularité de l'espace-temps ou une densité extrême. Il faut qu'un objet soit suffisamment compact pour que se forme une région dont on ne peut s'extraire sans dépasser la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière.
Démontrer l'existence d'un trou noir, c'est donc démontrer l'existence d'un horizon des événements. Et une nouvelle méthode en ce sens, qui peut déjà se targuer d'un certain succès, vient d'être exposée dans un article publié dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, en accès libre sur arXiv. Elle est l'œuvre de Srimanta Banerjee et Sudip Bhattacharyya du Tata Institute of Fundamental Research, Inde, de Marat Gilfanov et d'un des mythiques collaborateurs de Zeldovich, Rashid Sunyaev, de l'Institut Max-PlanckPlanck d'astrophysique, Allemagne, et de l'Institut de recherche spatiale de l'Académie russe des sciences, Russie.
Un effet Sunyaev-Zeldovich pour les trous noirs ?
La méthode n'est pas sans connexions avec le fameux effet Sunyaev-Zeldovicheffet Sunyaev-Zeldovich découvert en cosmologiecosmologie. Dans les deux cas, il s'agit d'un effet Comptoneffet Compton (direct ou inverse) dans lequel des électronsélectrons chauds entrent en collision avec des photonsphotons pour leur ajouter ou leur retirer de l'énergieénergie, modifiant la forme du spectrespectre des émissionsémissions de lumière liées à un phénomène astrophysique.
On sait que des étoiles à neutronsétoiles à neutrons et des trous noirs peuvent se retrouver dans un système binairesystème binaire avec une étoile dont ils arrachent la matière pour s'entourer d'un disque d'accrétiondisque d'accrétion. Cette matière s'échauffe au point de former un plasma avec électrons libres et d'émettre des rayons Xrayons X. Sunyaev a fait partie des pionniers de la théorie de l'accrétion par les trous noirs. Avec ses collègues, il précise aujourd'hui que des effets Compton entre les électrons libres de la couronne de plasma des trous noirs stellaires et les photons X associés vont donner des modifications différentes du spectre de rayons X émis, selon que c'est un trou noir ou une étoile à neutrons qui subit le processus d'accrétion.
On peut s'en faire une vaguevague idée en se souvenant que de la matière tombant sur une étoile à neutrons va entrer en collision avec sa surface, mais elle va simplement passer à travers l'horizon des événements d'un trou noir stellairetrou noir stellaire. Le flux d'énergie au voisinage de ces astres compacts n'est pas le même et aujourd'hui les astrophysiciensastrophysiciens se rendent compte qu'il en découle une différence testable avec des observations dans le domaine des rayons X.
C'est une découverte importante parce qu'on n'est pas très sûr de la masse maximale pour une étoile à neutrons de sorte que, parfois, on ne sait pas bien si l'on observe vraiment les émissions X liées à un trou noir léger ou à une étoile à neutrons massive.
Pour voir si leur méthode était fiable, Sunyaev et ses collègues ont consulté les archives des observations en rayons X de la défunte mission avec le satellite Rossi X-Ray Timing Explorer. Dans certains cas, il est possible de montrer clairement que l'on est très probablement en présence d'une étoile à neutrons et pas d'un trou noir stellaire. La nouvelle méthode rend la démonstration encore plus claire et la met directement en relation avec l'existence d'un horizon des événements (des alternatives à la théorie des trous noirs suppriment cet horizon).
La théorie des trous noirs en sort donc renforcée.
Ce qu’il faut
retenir
- En accrétant de la matière, un trou noir ou une étoile à neutrons s'entoure d'un plasma avec des électrons libres et chauds, comme dans le cas du plasma de la couronne solaire.
- Un analogue de l'effet Sunyaev-Zeldovich, bien connu en cosmologie, fait intervenir des collisions entre ces électrons et les photons des rayons X aussi produits par la matière accrétée par ces astres compacts.
- L'existence d'un horizon des événements, la marque distinctive d'un trou noir, conduit à une altération différente du spectre des rayons X émis selon cet effet, de sorte qu'il est possible de montrer que l'on est ou pas en présence d'une étoile à neutrons.
- Si ce n'est pas une étoile à neutrons, les caractéristiques de l'effet soutiennent l'hypothèse de la présence d'un horizon des événements.
