Astronomie

Comportement des trous noirs

Comportement des trous noirs

Cette question pourrait être strictement liée à mon autre question liée aux trous noirs.

On sait que l'événement d'horizon est un endroit où la poussière, les composants d'étoiles sont prêts à être incorporés au trou noir*.

En fait, ma question peut être divisée en quelques points :

  • Peut-être serait-il raisonnable de croire que, s'il est vrai que dans de nombreuses galaxies spirales, il y a un trou noir au milieu, ces objets pourraient-ils avoir une force gravitationnelle si puissante pour les considérer comme les créateurs des galaxies ?
  • (*) lorsque les trous noirs aspirent la poussière de l'événement horizon, augmentent-ils leur masse ?

    • Si oui, est-il raisonnable de croire que leur force gravitationnelle augmentera de manière à attirer des objets plus éloignés ?
    • Pourraient-ils éjecter la poussière ou autre chose s'ils « mangent » autant ? Cela peut être en contradiction avec le point ci-dessus.

  1. Non, il semble que la formation d'un trou noir supermassif soit une conséquence de la formation des galaxies, pas une cause de celle-ci. La masse du trou noir est une très petite proportion de la masse de la matière et de la matière noire de la galaxie. Les détails ne sont pas encore réglés mais c'est la répartition de la matière noire qui forme la galaxie, puis les fusions de galaxies contribuent à la croissance d'un grand trou noir au centre.

  2. Comme indiqué dans la réponse à votre question précédente, « sucked » n'est pas du tout la bonne métaphore du fonctionnement des trous noirs. Les trous noirs ont beaucoup de masse dans un petit espace, donc ils « tirent » gravitationnellement.

    • Maintenant, la gravité devient étrange quand elle est très forte, car elle affecte le temps. Du point de vue d'une personne en dehors du trou noir, une horloge sur un corps tombant vers l'horizon ralentira et semblera s'arrêter lorsque le corps atteint le trou noir. Cela signifie que nous ne verrons jamais quelque chose tomber dans le trou noir. . Cependant, la masse du corps qui tombe vers le trou noir augmentera la masse effective du trou noir, et donc augmentera le rayon de l'horizon des événements.
  3. Pour les objets plus éloignés du trou noir, l'accélération vers le trou noir est proportionnelle à sa masse. Ce n'est donc pas le cas qu'un objet "commence à ressentir l'attraction", mais à la place l'attraction va augmenter. Notez que la masse qui orbite près du trou noir agira presque comme une partie du trou noir du point de vue de quelqu'un plus loin. Ce n'est pas une propriété spéciale des trous noirs, juste la gravité ordinaire.

  4. Les trous noirs forment un disque d'accrétion autour d'eux, un disque de matière en orbite autour du trou noir à des vitesses très élevées et devenant très très chaud. Ils produisent également des jets de particules à haute énergie se déplaçant près de la vitesse de la lumière à partir de leurs pôles. Ceux-ci sont produits à partir du disque d'accrétion, et non du trou noir lui-même. Les objets qui tombent vers le trou noir ne reviennent pas.


Nord-ouest maintenant

La puissance du supercalculateur permet des simulations avancées du comportement des jets relativistes

EVANSTON, Ill. --- Grâce à des simulations de superordinateurs uniques en leur genre, des chercheurs, dont un professeur de la Northwestern University, ont acquis un nouvel aperçu de l'un des phénomènes les plus mystérieux de l'astronomie moderne : le comportement des jets relativistes qui tirent du noir trous, s'étendant vers l'extérieur sur des millions d'années-lumière.

Des simulations avancées créées avec l'un des superordinateurs les plus puissants au monde montrent que les flux des jets changent progressivement de direction dans le ciel, ou précessent, en raison de l'entraînement de l'espace-temps dans la rotation du trou noir. Ce comportement s'aligne sur les prédictions d'Albert Einstein sur la gravité extrême près des trous noirs en rotation, publiées dans sa célèbre théorie de la relativité générale.

Cette simulation réalisée à l'aide du supercalculateur Blue Waters est la première simulation jamais réalisée à démontrer que des jets relativistes suivent la précession du disque d'accrétion incliné autour du trou noir. Avec près d'un milliard de cellules de calcul, il s'agit de la simulation à la plus haute résolution d'un trou noir accréteur jamais réalisée.

"Comprendre comment les trous noirs en rotation entraînent l'espace-temps autour d'eux et comment ce processus affecte ce que nous voyons à travers les télescopes reste un casse-tête crucial et difficile à résoudre", a déclaré Alexander Tchekhovskoy, professeur adjoint de physique et d'astronomie au Weinberg College de Northwestern. des Arts et des Sciences. « Heureusement, les percées dans le développement de code et les avancées dans l'architecture des superordinateurs nous rapprochent de plus en plus de la recherche de réponses. »

L'étude, publiée dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, est une collaboration entre Tchekhovskoy, Matthew Liska et Casper Hesp. Liska et Hesp sont les auteurs principaux de l'étude et les étudiants diplômés de l'Université d'Amsterdam, aux Pays-Bas.

Les trous noirs en rotation rapide non seulement engloutissent la matière, mais émettent également de l'énergie sous forme de jets relativistes. Semblable à la façon dont l'eau dans une baignoire forme un bain à remous lorsqu'elle descend dans un drain, le gaz et les champs magnétiques qui alimentent un trou noir supermassif tourbillonnent pour former un disque rotatif - un spaghetti enchevêtré de lignes de champ magnétique mélangées à un bouillon de gaz chaud . Au fur et à mesure que le trou noir consomme cette soupe astrophysique, il engloutit le bouillon mais laisse les spaghettis magnétiques pendre hors de sa bouche. Cela fait du trou noir une sorte de rampe de lancement à partir de laquelle l'énergie, sous forme de jets relativistes, jaillit de la toile de spaghettis magnétiques torsadés.

Les jets émis par les trous noirs sont plus faciles à étudier que les trous noirs eux-mêmes car les jets sont si gros. Cette étude permet aux astronomes de comprendre à quelle vitesse la direction du jet change, ce qui révèle des informations sur le spin du trou noir ainsi que sur l'orientation et la taille du disque en rotation et d'autres propriétés difficiles à mesurer de l'accrétion du trou noir.

Alors que presque toutes les simulations précédentes considéraient des disques alignés, en réalité, on pense que les trous noirs supermassifs centraux de la plupart des galaxies abritent des disques inclinés, ce qui signifie que le disque tourne autour d'un axe distinct de celui du trou noir lui-même. Cette étude confirme que s'ils sont inclinés, les disques changent de direction par rapport au trou noir, précessant comme une toupie. Pour la première fois, les simulations ont montré que de tels disques inclinés conduisent à des jets en précession qui changent périodiquement de direction dans le ciel.

Une raison importante pour laquelle les jets de précession n'ont pas été découverts plus tôt est que les simulations 3D de la région entourant un trou noir en rotation rapide nécessitent une énorme quantité de puissance de calcul. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont construit le premier code de simulation de trou noir accéléré par des unités de traitement graphique (GPU). Une subvention de la National Science Foundation leur a permis de réaliser les simulations sur Blue Waters, l'un des plus gros supercalculateurs au monde, situé à l'Université de l'Illinois.

Une comparaison d'une simulation à basse résolution (à gauche) à la simulation à haute résolution produite à l'aide de Blue Waters (à droite) montre l'effet de la résolution sur les modèles d'accrétion inclinée. Le modèle à haute résolution montre que la précession et l'alignement ralentissent en raison de l'expansion du disque due à la turbulence magnétique.

La confluence du code rapide, qui utilise efficacement une architecture GPU de pointe, et du supercalculateur Blue Waters a permis à l'équipe d'effectuer des simulations avec la résolution la plus élevée jamais atteinte - jusqu'à un milliard de cellules de calcul.

"La haute résolution nous a permis, pour la première fois, de garantir que les mouvements de disque turbulent à petite échelle sont capturés avec précision dans nos modèles", a déclaré Tchekhovskoy. « À notre grande surprise, ces mouvements se sont avérés si forts qu'ils ont fait grossir le disque et arrêter la précession du disque. Cela suggère que la précession peut se produire par rafales. »

Parce que l'accrétion sur les trous noirs est un système très complexe semblable à un ouragan, mais situé si loin que nous ne pouvons pas discerner de nombreux détails, les simulations offrent un moyen puissant de donner un sens aux observations du télescope et de comprendre le comportement des trous noirs.

Les résultats de la simulation sont importants pour d'autres études impliquant des trous noirs en rotation, qui sont actuellement menées dans le monde entier. Grâce à ces efforts, les astronomes tentent de comprendre des phénomènes récemment découverts tels que les premières détections d'ondes gravitationnelles provenant de collisions d'étoiles à neutrons et les feux d'artifice électromagnétiques qui les accompagnent, ainsi que des étoiles régulières englouties par des trous noirs supermassifs.

Les calculs sont également appliqués à l'interprétation des observations du télescope Event Horizon (EHT), qui a capturé les premiers enregistrements de l'ombre du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée.

De plus, la précession des jets pourrait expliquer les fluctuations de l'intensité de la lumière provenant des trous noirs, appelées oscillations quasi-périodiques (QPO). De telles oscillations peuvent se produire de la même manière que le faisceau rotatif d'un phare augmente en intensité lorsqu'il passe devant un observateur. Les QPO ont été découverts pour la première fois près des trous noirs (sous forme de rayons X) en 1985 par Michiel van der Klis (Université d'Amsterdam), co-auteur du nouvel article.


Sur le comportement de décélération des trous noirs

Coups de pied dans l'espace : des chercheurs ont modélisé la collision de trous noirs (1). Ainsi, il a été montré que le trou noir nouvellement créé est initialement déformé (2). Pour lisser cette asymétrie et obtenir la forme sphérique énergétiquement plus favorable, plus d'impulsion est rayonnée vers le haut : cet "anti-coup de pied" ralentit légèrement le trou noir - il continue maintenant à se déplacer à vitesse réduite (3). Image : MPI pour la physique gravitationnelle

(PhysOrg.com) -- Les chercheurs utilisent le concept d'"anti-coup de pied" pour expliquer pourquoi la vitesse diminue soudainement après la collision d'objets aussi exotiques.

Le coup de pied n'est pas seulement associé au football : si deux trous noirs se rapprochent si étroitement qu'ils entrent en collision et fusionnent, le trou noir qui en résulte recule puis parcourt l'univers à une vitesse pouvant atteindre plusieurs milliers de kilomètres par seconde. Parfois, cependant, il subit une diminution soudaine de la vitesse - un comportement pour lequel il n'y avait aucune explication convaincante. Les scientifiques de l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle ont désormais trouvé une solution au casse-tête : il existe un type de recul dans la direction opposée qui réduit la vitesse de l'ensemble du système. Dans cet « anti-kick », le trou noir émet des ondes gravitationnelles pour atteindre sa forme énergétiquement optimale : une sphère. (Lettres d'examen physique, 3 juin 2010)

Vu de l'extérieur, un trou noir n'est pas un objet tangible mais une région de l'espace qui attire la matière de son environnement avec une grande force. La frontière qui sépare cette région du reste de l'espace s'appelle l'horizon. Dans le cas le plus simple, l'horizon est parfaitement sphérique et flottant dans l'espace. Tout ce qui traverse l'horizon de l'extérieur est incapable de repartir. Même la lumière ne peut échapper à ce piège gravitationnel - d'où son nom. Les trous noirs sont considérés comme des composants importants des modèles que les astrophysiciens utilisent pour expliquer l'évolution stellaire ou l'intérieur des noyaux galactiques actifs.

Luciano Rezzolla, chef du groupe de recherche « Relativité numérique » à l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert Einstein, AEI), et ses collègues Rodrigo Macedo et José Luis Jaramillo ont commencé par examiner un système simple. Dans ce modèle, un plus petit et un grand trou noir se déplacent linéairement l'un vers l'autre et entrent en collision frontale. Le plus petit trou noir se déplace plus rapidement, a un élan descendant élevé et émet de fortes ondes gravitationnelles vers le bas. Étant donné que chaque action produit également une réaction, le système global se déplace vers le haut - c'est le "coup de pied" (partie gauche de la figure).

Le trou noir produit par la fusion n'est initialement pas sphérique, mais déformé et présente une sorte de « bosse » au sommet (partie centrale de la Fig.). Pour lisser cette asymétrie et obtenir la forme sphérique énergétiquement plus favorable, plus de quantité de mouvement est rayonnée vers le haut au moyen d'ondes gravitationnelles : cet "anti-kick" ralentit donc le trou noir résultant. Il se déplace toujours vers le haut, mais à une vitesse réduite (partie droite de la figure).

Simulation vidéo de trous noirs inspirante.

"Ce modèle simple nous amène beaucoup plus loin dans la compréhension des collisions de trous noirs. Dans notre publication, nous fournissons une explication intuitive d'un processus dont les détails mathématiques sont terriblement complexes", explique Luciano Rezzolla. « Il est important en physique de comprendre des phénomènes complexes et d'apporter des explications claires. C'est l'importance des résultats des recherches de Rezzolla et de son équipe », ajoute Bernard F. Schutz, directeur de la Division de la relativité astrophysique.

La génération d'un grand coup dans la fusion des trous noirs a un impact direct en astrophysique : en fonction de sa taille, en effet, elle détermine le nombre de galaxies contenant des trous noirs supermassifs en leur centre puisque les trous noirs peuvent même être expulsés de leur galactique. L'explication de l'anti-kick suggère une méthodologie pour sonder la physique autour d'un trou noir en surveillant la géométrie près de son horizon. Cette approche peut aider à comprendre certains aspects fondamentaux de la physique des trous noirs.


Le cours Cornell enseigne que les trous noirs pourraient être liés à la «noirceur raciale»

L'Université Cornell a mis en place un cours d'astronomie pour explorer le lien entre le terme trous noirs et "noirceur racial" - preuve, disent les critiques, que même les sciences dures ne sont pas à l'abri de "l'hystérie raciale" universelle.

Le cours, intitulé « Les trous noirs : la race et le cosmos », utilise les travaux de théoriciens des études noires, d'artistes et d'écrivains de fiction pour remettre en question la « sagesse conventionnelle » sur le rôle que joue la race en astronomie.

« La sagesse conventionnelle voudrait que le « noir » dans les trous noirs n'ait rien à voir avec la race. Assurément, il ne peut y avoir aucun lien entre le cosmos et l'idée de noirceur raciale. Est-ce possible?” lit la description du catalogue du collège.

Pour la première fois, les scientifiques d'EHT ont cartographié les champs magnétiques autour d'un trou noir à l'aide d'ondes lumineuses polarisées. Avec cette percée, nous avons franchi une étape cruciale dans la résolution de l'un des plus grands mystères de l'astronomie.
(Collaboration EHT)

Les étudiants de l'école Ivy League apprennent que les lectures, la musique et l'art "posent implicitement et explicitement une telle connexion", selon la description.

"Les théoriciens utilisent des concepts d'astronomie tels que "trou noir" et "horizons d'événements" pour interpréter l'histoire de la race de manière créative, tandis que les artistes et les musiciens évoquent la noirceur à travers des thèmes et des images cosmologiques", indique la description.

Enseigné par le professeur d'astronomie Nicholas Battaglia et la professeure de littérature comparée Parisa Vaziri, le cours fera référence aux travaux d'auteurs tels qu'Octavia Butler et Nalo Hopkinson ainsi qu'à la musique de Sun Ra, Outkast et Janelle Monáe.

Le cours s'appuiera également sur les enseignements de théoriciens tels que Michelle Wright et Denise Ferreira da Silva.

Bâtiments de l'Université Cornell vus de la tour McGraw.
(iStock)

Le cours, cependant, a suscité des critiques de la part de certains qui le considèrent comme le dernier exemple de « l'hystérie raciale » qui s'empare des campus universitaires.

« Si vous voulez savoir à quel point l'Ivy League est devenue une friche intellectuelle, à Cornell, ils se demandent si les « trous noirs » sont racistes », a écrit un utilisateur de Twitter.

Un autre a ajouté : « Le terme « Trou noir » ne concerne pas la race ou la couleur de la peau. En fait, ce cours de Cornell cause probablement beaucoup plus de dégâts que de bien.

"Même les sciences dures ne sont plus à l'abri de l'hystérie raciale en cours", a écrit un troisième utilisateur de Twitter.

Pour en savoir plus sur le New York Post, Cliquez ici.


Très gros trous noirs

Quels sont les plus grands trous noirs connus de notre univers ?

Les étoiles mourantes peuvent former des trous noirs jusqu'à cinq fois plus gros qu'on ne l'aurait cru possible, ont découvert les scientifiques.

Les trous noirs se forment lorsque les noyaux des étoiles mourantes explosent. La puissance de l'explosion balaie les couches externes des étoiles dans des explosions de supernova qui émettent brièvement plus de lumière que des galaxies entières. Mais la majeure partie de la matière reste généralement dans l'étoile, s'effondrant dans un trou noir.

Les plus grands trous noirs de notre propre galaxie de la Voie lactée mesurent environ 10 à 20 fois la masse du Soleil, a déclaré hier Jorick Vink, astronome chercheur à l'Observatoire et planétarium Armagh de Belfast, en Irlande du Nord, lors d'une réunion virtuelle de l'American Astronomical. Société.

Et jusqu'à récemment, a-t-il dit, on pensait que c'était aussi grand que possible, parce que l'explosion de la mort de plus grandes étoiles serait telle qu'elle soufflerait simplement tout le matériel supplémentaire. "Donc, vous pouvez commencer avec une masse très élevée", dit-il, "mais vous vous retrouvez avec seulement un trou noir de 10 à 20 masses solaires."

Puis, il y a environ cinq ans, les astronomes ont détecté des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux trous noirs dans une galaxie lointaine, chacun environ 30 à 40 fois la masse du Soleil. De toute évidence, quelque chose n'allait pas. « Pourquoi avons-nous soudainement ces gros trous noirs ? » demande Vink.

La réponse, dit-il, se trouve dans le fait que ces géantes célestes se trouvaient dans une galaxie si éloignée que les ondes gravitationnelles de leur fusion nous parcouraient depuis des milliards d'années. Cela signifiait que la fusion avait eu lieu il y a des milliards d'années, lorsque l'Univers était beaucoup plus jeune qu'aujourd'hui.

À cette époque, dit-il, les étoiles se formaient à partir de nuages ​​de gaz contenant moins de fer et d'autres métaux qu'aujourd'hui. Cela s'avère important, car les métaux absorbent plus facilement le rayonnement créé par l'explosion, traduisant son énergie en l'impulsion qui souffle sur les couches externes de l'étoile.

Et c'est pourquoi, dit-il, les grands trous noirs ne peuvent pas se former dans les galaxies riches en métaux comme la Voie lactée.

Mais dans les galaxies pauvres en métaux, ce n'est plus une contrainte. Là, dit-il, il s'avère qu'ils peuvent représenter jusqu'à 50 masses stellaires.

Puis l'été dernier, les astronomes ont détecté des ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux trous noirs « impossiblement » grands : l'un 85 fois la masse du Soleil, l'autre à 66 masses solaires. Comment cela pourrait-il être?

Une théorie est que, par coïncidence, il s'agissait de deux trous noirs de deuxième génération, chacun créé par la fusion de plus petits.

Mais il y a une autre explication, dit Vink. Les étoiles géantes peuvent parfois être étonnamment compactes. Cela les maintient plus petites et plus chaudes (plus bleues) que les géantes rouges moins denses, ce qui les rend moins enclines à évacuer des quantités massives de matière lorsqu'elles meurent.

Il y a encore un moment où une étoile assez grande sera réduite en miettes. Mais avec ces étoiles bleues denses, dit Vink, celles aussi grandes que 90 à 100 masses solaires peuvent rester en grande partie intactes, formant 80 à 90 trous noirs de masse solaire, « qui étaient censés être impossibles ».

Les trous noirs stellaires, bien sûr, ne sont pas les plus grands trous noirs de l'Univers. Cet honneur appartient aux trous noirs supermassifs qui se trouvent au centre des galaxies, où ils peuvent atteindre des masses des millions de fois celles du Soleil.

Traditionnellement, on pensait que ceux-ci se formaient par une cascade de fusions entre des trous noirs plus petits comparables à ceux observés aujourd'hui. Mais, dit Vink, les astronomes ont détecté des trous noirs supermassifs jusqu'à 100 000 fois la masse du Soleil très tôt dans l'Univers, et il est difficile de comprendre comment ils ont pu devenir aussi grands, aussi rapides, par fusion.

Quelque chose d'autre a dû se produire, dit-il, impliquant probablement la mort d'étoiles encore plus grandes, peut-être elles-mêmes 100 000 fois la masse du Soleil.

Le nouveau modèle de Vink n'explique pas comment ceux-ci pourraient produire des trous noirs supermassifs, mais il suggère que les astrophysiciens pourraient avoir besoin de réfléchir plus attentivement aux processus qui pourraient se produire dans des étoiles vraiment énormes.

"Cela ne résout pas le problème", dit-il, "mais cela nous donne plus de perspicacité."

Richard A Lovett

Richard A Lovett est un écrivain scientifique et auteur de science-fiction basé à Portland, en Oregon. Il contribue fréquemment à Cosmos.

Lisez des faits scientifiques, pas de la fiction.

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Les trous noirs théorisés au XVIIIe siècle

Les trous noirs ne sont pas constitués de matière, bien qu'ils aient une masse importante. Ceci explique pourquoi il n'a pas encore été possible de les observer directement, mais uniquement via l'effet de leur gravité sur l'environnement. Ils déforment l'espace et le temps et ont un attrait vraiment irrésistible. Il est difficile de croire que l'idée derrière de tels objets exotiques a déjà plus de 230 ans.

Le berceau des trous noirs se trouve dans le paisible village de Thornhill, dans le comté anglais du Yorkshire. Au XVIIIe siècle, c'est ici que Jean Michell a élu domicile, à côté de l'église médiévale. Il a été recteur ici pendant 26 ans et – comme en témoigne l'inscription sur son mémorial dans l'église – également très respecté en tant qu'érudit. En fait, Michell avait non seulement étudié la théologie, l'hébreu et le grec à Cambridge, mais s'était également tourné vers les sciences naturelles.

Son principal intérêt était la géologie. Dans un traité, qui a été publié après le tremblement de terre de Lisbonne de 1755, il a affirmé qu'il existait des ondes souterraines qui ont propagé un tel tremblement de terre. Cette théorie a fait sensation dans le monde universitaire et a conduit à l'acceptation de John Michell en tant que membre de la Royal Society à Londres, notamment à cause de cette théorie.

Il donna une conférence devant cette société renommée en 1783 sur la gravitation des étoiles. Il a utilisé une expérience de pensée pour expliquer que la lumière ne quitterait pas la surface d'une étoile très massive si la gravitation était suffisamment grande. Et il en déduit : « Si un tel objet existe réellement dans la nature, sa lumière ne pourrait jamais nous atteindre.

Plus d'une décennie après Michell, un autre scientifique reprend le même sujet : dans son livre publié en 1796 - Exposition du Système du Monde - le mathématicien, physicien et astronome français Pierre-Simon de Laplace décrit l'idée d'étoiles massives dont aucune lumière pouvait échapper à cette lumière constituée de corpuscules, de très petites particules, selon la théorie généralement acceptée d'Isaac Newton. Laplace a appelé un tel objet corps obscur, c'est-à-dire corps sombre.

Pensées stellaires : en 1796, le mathématicien, physicien et astronome français Pierre-Simon de Laplace décrivait l'idée d'étoiles lourdes dont la lumière ne pouvait s'échapper. Crédit : domaine public

Les jeux de réflexion physique pratiqués par John Michell et Pierre-Simon de Laplace n'ont cependant pas rencontré beaucoup d'écho et ont été vite oubliés. Il appartenait à Albert Einstein avec sa théorie de la relativité générale d'ouvrir la voie à ces "corps sombres" pour entrer dans les domaines de la science - sans que ce soit vraiment son intention. Bien que l'existence de singularités ponctuelles, dans lesquelles la matière et le rayonnement de notre monde disparaîtraient tout simplement, puisse être déduite des équations qu'il a publiées en 1915, Einstein a publié en 1939 un article dans la revue Annals of Mathematics dans lequel il avait l'intention de prouver que de telles les trous noirs étaient impossibles.

Mais en 1916, l'astronome Karl Schwarzschild s'était basé sur la théorie de la relativité générale pour calculer la taille et le comportement d'un trou noir statique non rotatif ne portant aucune charge électrique. Son nom a été donné au rayon dépendant de la masse d'un tel objet, à l'intérieur duquel rien ne peut s'échapper vers l'extérieur. Ce rayon serait d'environ un centimètre pour la Terre.

Schwarzschild a eu une carrière fulgurante au cours de sa courte vie. Né en 1873 comme l'aîné de six enfants d'une famille juive allemande à Francfort, son talent a émergé à un âge précoce. Il n'avait que 16 ans lorsqu'il publia deux articles dans une revue renommée sur la détermination des orbites des planètes et des étoiles binaires. Sa carrière ultérieure en astronomie l'a conduit via Munich, Vienne et Göttingen à Potsdam, où il est devenu directeur de l'observatoire d'astrophysique en 1909. Quelques années plus tard, au milieu de la Première Guerre mondiale, Karl Schwarzschild était sous-lieutenant d'artillerie sur le front de l'Est. en Russie - il a dérivé les solutions exactes des équations de champ d'Einstein. Il décède le 11 mai 1916 d'une maladie auto-immune de la peau.

Le sujet des trous noirs n'a cependant pas encore trouvé sa place dans le domaine scientifique. Au contraire, l'intérêt pour la construction théorique d'Einstein a diminué de plus en plus après le battage médiatique initial. Cette phase a duré approximativement du milieu des années 1920 au milieu des années 1950. Puis a suivi ce que le physicien Clifford Will a appelé la « renaissance » de la théorie de la relativité générale.

Il devenait alors important de décrire des objets qui n'intéressaient au départ que les théoriciens. Les naines blanches, par exemple, ou les étoiles à neutrons où la matière existe dans des états très extrêmes. Leurs propriétés inattendues pourraient être expliquées à l'aide de nouveaux concepts dérivés de cette théorie. Ainsi, les trous noirs sont également devenus le centre d'attention. Et les scientifiques qui y travaillaient sont devenus des stars – comme le physicien britannique Stephen Hawking.

Mathématiques supérieures : Karl Schwarzschild a calculé la taille et le comportement d'un trou noir statique non rotatif et non chargé électriquement en 1916, sur la base de la théorie générale de la relativité. Crédit : domaine public

Au début des années 1970, Uhuru a inauguré une nouvelle ère pour l'astronomie d'observation. Le satellite a étudié l'univers dans la gamme des rayonnements X à longueur d'onde extrêmement courte. Uhuru a découvert des centaines de sources, généralement des étoiles à neutrons. Mais parmi eux se trouvait un objet particulier dans la constellation du Cygne (=cygne). Il a reçu la désignation Cygnus X-1. Les chercheurs ont découvert qu'il s'agissait d'une étoile géante d'environ 30 masses solaires qui brillait d'une lueur bleue. Un objet invisible d'environ 15 masses solaires orbite autour de lui – apparemment un trou noir.

Cela explique aussi les rayons X enregistrés : la gravité du trou noir attire la matière de l'étoile principale. Cela s'accumule dans un soi-disant disque d'accrétion autour du monstre massif, tourbillonne autour de lui à une vitesse incroyablement élevée, est chauffé jusqu'à plusieurs millions de degrés par la friction – et émet des rayons X avant de disparaître dans le gouffre spatio-temporel.

Cygnus X-1 n'est en aucun cas le seul trou noir que les astronomes ont détecté indirectement. Jusqu'à présent, ils en ont trouvé toute une série avec entre 4 et 16 masses solaires. Mais il y en a un qui est beaucoup plus massif. Elle est située au cœur de notre Voie lactée, à environ 26 000 années-lumière, et a été découverte à la fin des années 1990. En 2002, un groupe comprenant Reinhard Genzel de l'Institut Max Planck de physique extraterrestre a réussi à faire une découverte sensationnelle : au Very Large Telescope de l'Observatoire européen austral (ESO), les scientifiques ont observé une étoile qui s'était approchée du centre galactique à moins de à peine 17 heures-lumière (un peu plus de 18 milliards de kilomètres).

Au cours des mois et des années qui ont suivi, ils ont pu observer le mouvement orbital de cette étoile, qui a reçu la désignation S2. Il orbite autour du centre de la galaxie (Sagittaire A*) une fois tous les 15,2 ans à une vitesse de 5 000 kilomètres par seconde. À partir du mouvement de S2 et d'autres étoiles, les astronomes ont conclu qu'environ 4,5 millions de masses solaires sont concentrées dans une région de la taille de notre système planétaire. Il n'y a qu'une seule explication plausible à une telle densité : un gigantesque trou noir.

Notre Voie lactée ne fait pas exception : les scientifiques pensent que ces monstres massifs se cachent au centre de la plupart des galaxies – certaines même beaucoup plus grandes que le Sagittaire A*. Un trou noir d'env. 6,6 milliards de masses solaires se trouvent à l'intérieur d'une galaxie géante connue sous le nom de M87 ! Comme Sagittarius A*, ce système stellaire distant de 53 millions d'années-lumière fait également partie du programme d'observation du télescope Event Horizon.

Avec la découverte des ondes gravitationnelles en septembre 2015, l'histoire des trous noirs a atteint son apogée actuelle. A cette époque, des vagues provenant de deux trous de fusion avec 36 et 29 masses solaires ont été enregistrées. Cela annonçait une nouvelle ère de l'astronomie, dont le but est d'apporter de la lumière dans l'univers sombre. Et aussi pour faire la lumière sur ces mystérieux trous noirs.


Le bon côté des trous noirs

Il y a plus d'un milliard d'années, deux trous noirs d'une galaxie lointaine se sont enroulés en spirale, ondulant le tissu même de l'espace. En décembre, ces ondulations ont atteint le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) aux États-Unis, marquant la deuxième détection d'ondes gravitationnelles de l'histoire. Le premier avait eu lieu trois mois auparavant.

Les trous noirs sont réels et ils nous parlent directement de l'autre côté du cosmos.

Dans la culture populaire, un trou noir est la métaphore ultime d'un destructeur invisible : une force obscure et incontournable avalant tout sur son passage. Même la lumière ne peut échapper à son attraction gravitationnelle. Pourtant, les trous noirs sont parmi les objets les plus essentiels, les plus omniprésents et les plus brillants de l'univers.

Les trous noirs ont d'abord été proposés comme résultat naturel de la mort d'une étoile. Maintenant, il y a des indices que les trous noirs pourraient également être une partie essentielle de la formation et de l'évolution des galaxies.

Notre propre galaxie regorge de trous noirs – des centaines de millions selon une estimation. La façon la plus simple de faire un trou noir est de prendre une étoile plusieurs fois plus massive que le Soleil et d'attendre plusieurs millions d'années qu'elle soit à court de carburant. Lorsque cela se produit, il s'effondrera sur lui-même.

Pour un physicien, un trou noir est assez simple : un objet pur de l'espace-temps défini uniquement par sa masse, son spin (reste du spin de l'étoile progénitrice) et peut-être une charge électrique. Selon un théorème à prouver, les trous noirs ne peuvent pas avoir d'autres propriétés. Du point de vue d'un astronome, cependant, les trous noirs sont tout sauf simples.

Cygnus X-1 s'est assuré une place dans l'histoire de l'astronomie lorsqu'une combinaison d'observations aux rayons X et optiques a conduit à la conclusion qu'il s'agissait d'un trou noir, la première identification de ce type. Crédit : NASA / CXC

Le premier trou noir stellaire a été découvert en 1964, lorsque les astronomes se sont concentrés sur une source de rayons X et d'ondes radio puissants. Il a été nommé Cygnus X-1 d'après la constellation où il a été repéré.

Cygnus X-1 produit de la lumière au lieu de la dévorer. C'est parce qu'il n'est pas seul : Cygnus X-1 est sur une orbite binaire avec une étoile bleue chaude qu'il cannibalise lentement.

Lorsque la matière stellaire s'approche du trou noir, elle se condense en un disque de matière chaude, rendant le trou noir visible de la même manière qu'un tourbillon est rendu visible par la collision de matières emportées dans le vortex.

Des systèmes comme celui-ci sont appelés binaires à rayons X et ils sont faciles à repérer avec les télescopes à rayons X. Mais des trous noirs plus massifs peuvent éclipser des galaxies entières.

Les trous noirs supermassifs, pesant entre des millions et des milliards de masses solaires, peuvent être parmi les objets les plus brillants de l'univers. Pour autant que nous puissions en juger, chaque galaxie de taille décente a un trou noir supermassif en son centre.

Un tel monstre pourrait s'être formé par la fusion de trous noirs plus petits ou par la consommation vorace de matière à proximité, la plupart des trous noirs se développent probablement grâce à un mélange de ces deux processus. When actively consuming gas and dust, supermassive black holes light up like the X-ray binaries, but on a much larger scale.

These powerful objects, called active galactic nuclei, serve as the central engines for violent outflows of matter and radiation. While matter falls into the black hole in a hot, swirling disc, the tangled magnetic fields produced by the interaction of the disc and the central black hole can also drive matter and radiation outward in powerful jets extending thousands of light years.

This violent upheaval helps make black holes, which are hard to see, at least easier to trace. The four million solar mass black hole in the centre of our own galaxy is detected through its consumption of small amounts of interstellar gas and dust, and by watching stars zip around it in close orbits.

Astronomers are still working to understand exactly how supermassive black holes in the centres of galaxies grow to such enormous sizes, but it seems clear that the growth of black holes and the growth of galaxies are inextricably linked.

Even though a supermassive black hole constitutes a tiny fraction of a galaxy’s total mass, the two appear to build up in lockstep with each other. How one manages to influence the other is still a mystery.

Black holes are far more than just a cool abstract concept about the stretching of time and the “spaghettification” of things that fall in. They are central to the evolution and structure of the cosmos. And we’re just starting to explore how.

Katie Mack

Katie Mack is an astrophysicist at North Carolina State University.

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Close Encounters of the Supermassive Kind

Such periodic partial tidal disruption events (TDEs) were first studied theoretically in 1986 by Jean-Pierre Luminet (Laboratory of Astrophysics, Marseille, France). In fact, comments Luminet, “I’m surprised that this kind of event has not been detected earlier, because partial TDEs must be more frequent than complete TDEs, for which we already have a catalog of dozens of cases.”

Luminet’s calculations showed that a supermassive black hole’s tidal forces would rip apart a more or less homogenous Sun-like star if it ventured too close, or leave it unharmed if it remained at a safe enough distance. In contrast, at a range of distances, the black hole could tidally strip the low-density outer layers of a red giant, while the star’s dense core would remain intact. “Hence, a red giant can lose a few Jupiter masses at each passage along its periodic orbit,” he says.

Astronomers don’t know what kind of star is involved in ASAS-SN 14ko, or how long the AGN has been producing periodic flares. Therefore, it’s hard to tell how long the phenomenon will last, says Payne. The team plans to extensively study future flares, expected in April and August 2021.

There’s much to learn. Luminet recalls that when a low-density gas cloud, called G2, passed close to the supermassive black hole in the galactic center in 2014, most astronomers expected it to be destroyed by tidal forces, but nothing happened. “A lot of work remains to be done to better understand tidal disruption events,” he says.


What Stephen Hawking taught us about black holes

By living an extraordinarily rich, productive life despite his profound disability, Stephen Hawking inspired millions around the world. But Hawking, who died on Wednesday at the age of 76, made his greatest contributions as a theoretical physicist.

Over the years, his books, papers, and lectures turned generations into armchair cosmologists and transformed our understanding of the universe — especially with regard to the strange celestial objects known as black holes.

The first black hole was discovered in 1971, and we now believe that 100 million or so are sprinkled across the universe. Most astronomers now believe that black holes lie at the center of most, if not all, galaxies, including our own Milky Way.

But at the time of Hawking’s birth in 1942, black holes were little more than a mathematical quirk — a prediction of Albert Einstein’s 1916 theory of general relativity. The term black hole itself wasn’t coined until the 1960s, when scientists began to realize that Einstein’s math actually described real objects — gaping abysses of raw gravitational force so powerful that they suck in dust, gas, and stars and stop light itself from escaping.

In the 1960s, Hawking and fellow British physicist Roger Penrose built on Einstein’s theories to describe the physical characteristics of black holes and showed that when a star collapses it forms an infinitely dense point called a singularity — the birth of a black hole.

Hawking also helped confirm the Big Bang theory. Drawing once again from Einstein’s equations, he and Penrose showed that 13.8 billion years ago the universe emerged violently from a single compressed point no bigger than an atom.

“We didn’t know these things until they proved them,” Sean Carroll, a professor of physics at Caltech and one of the world’s leading cosmologists, says of Hawking and Penrose. “So through that alone I think it’s safe to say that Hawking taught us more about gravity and space-time than any person since Einstein.”

Hawking’s biggest breakthrough was yet to come.

Black holes not so black

In 1974, Hawking published a paper that contained one of the strangest ideas yet about black holes.

At the time, the consensus among physicists was that once something gets sucked into a black hole it can never escape. They believed that as black holes kept swallowing up all matter around them, they grew inexorably.

Hawking showed that black holes can actually shrink. The reason, he said, was that black holes shed particles and radiate energy — a phenomenon that came to be known as “Hawking radiation.” And this conclusion meant that rather than being voids producing nothing at all — as physicists had long thought — black holes actually glow.

”As Hawking himself put it, ‘black holes ain’t so black,’” Carroll says. “This was a stunning finding that surprised everybody, and we’re still trying to understand its implications.”

Hawking went on to show that while large black holes emit radiation as a slow dribble, small ones glow, emitting lots of radiation quickly. He showed that all black holes eventually evaporate or boil themselves away, expiring in a brilliant burst of energy equivalent to a million 1-megaton hydrogen bombs.

As Hawking’s mind kept coming up with new ideas, his body was slowly withering — a result of the neurodegenerative disease amyotrophic lateral sclerosis, or Lou Gehrig’s disease, with which he had been diagnosed with at age 21. Ironically, his growing paralysis may have enabled him to think about black holes in ways other physicists never could.

“Most physicists work with equations using pen and paper, but because of his disability, Hawking found it easier to visualize things in his mind,” says Alan Lightman, a professor of theoretical physics at MIT and one of Hawking’s long-time friends. “So he developed some new graphical methods for visualizing the trajectory of light rays through the warped space geometry created by the immense gravity of a black hole. And he applied these methods to making these major breakthroughs.”

The information paradox

For all Hawking’s remarkable insights, he was never able to solve one of the greatest puzzles involving black holes.

Every star is associated with lots of information — ranging from its shape and chemical composition to how fast it spins. But when a star collapses to become a black hole, it seems that all that information is lost forever.

But this appears to violate a bedrock concept of quantum physics, the rules that describe how the universe works at the atomic and subatomic levels. Quantum physics holds that information can never truly be lost.

“The reason why this is upsetting to physicists is that all our current theories of the universe assume that the amount of information in the world stays constant,” Lightman says. “You can move information from one place to another, but you cannot destroy it.”

Exactly what happens to the lost information contained within stars when they collapse remains a mystery, although Hawking — who spent 40 years on the problem — came up with a number of possible solutions.

In the early 2000s, he proposed that the information isn’t actually lost but is somehow encoded in the radiation black holes emit. But neither Hawking nor his colleagues came up with anything resembling a concrete proof. Thus the so-called “information paradox” remains unsolved — and may stay unsolved for the foreseeable future.

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Or it just might be that the Whole Earth Telescope — a project that links 30 observatories in 12 countries to create an Earth-sized telescope — will detect a tiny black hole and actually observe Hawking radiation. If that were to happen, physicists could probe for clues as to whether this radiation does indeed encode the missing information.

“The black holes we know about are so large that their Hawking radiation is predicted to be much fainter than even the background light in the cosmos, too faint to pick up,” Carroll says. “If we could identify a really tiny black hole, the radiation emitted would be much larger.”

Cosmic inspiration

Hawking himself might not have been surprised should the real answer to the information paradox be far stranger. In one of his final published works, Hawking argued that black holes might serve as gateways to parallel universes and that missing information might actually be transferred to those universes.

Whatever the truth, Hawking remained convinced that by attempting to understand the universe’s inner workings, humans can learn valuable lessons about themselves. As he explained in a 2015 lecture, black holes offer can their own form of inspiration.

“Black holes are not the eternal prisons they were once thought,” he said. “Things can get out of a black hole both on the outside and possibly come out in another universe. If you feel you are trapped in a black hole, don't give up. There is a way out."


How do black holes form?

Most galaxies have supermassive black holes at their centres, and astronomers know at least how some black holes form. Rigel, in Orion, has a mass about 18 times that of the Sun. When, in a few million years’ time, it exhausts the fuel at its centre, a spectacular supernova will be the result.

Most of the star’s material will be scattered to the galactic winds, but the core will collapse, forming a small black hole, one which will weigh in at a few times the mass of the Sun.

Though they can’t be seen directly, evidence of black holes comes from observing the behaviour of stars and gas, most strikingly at the centre of our own Milky Way, where observations taken each summer for more than 20 years reveal the orbits of stars about the galactic centre.

However, we don’t yet definitively know where the nearest black to Earth is.

With a mass equivalent to nearly four million Suns, the object at the centre of our galaxy is truly a supermassive black hole, but astronomers have struggled to explain how it came into being.

Evidence of stellar mass black holes, like the one Rigel is likely to become, has been gathered over the last few decades, most spectacularly in the minuscule ripples in space detected by gravitational wave experiments and due to the collision of black holes.

What is the missing link in black hole science?

Gravitational wave experiments are most sensitive to the collision of massive black holes but have not seen evidence for anything much more massive than maybe 50 solar masses.

That fits with our understanding of stars and supernovae, which predicts a maximum mass that falls well short of that obtained by the sort of behemoths that lurk at the centre of galaxies.

In seeking to understand how such massive objects form, astronomers have long sought our ‘missing link’ – a population of black holes intermediate in mass between the two.

Now results from a new paper suggest that the quest might have succeeded.

The object in question is 3XMM J215022.4-055108 (catchy, I know), a source of X-rays that suddenly flared up in 2006.

Such a flare indicates that something dramatic is happening in this case, we seem to have captured the final moments of a star being ripped apart by the gravitational pull of a black hole.

Such things happen from time to time – a disruption to the delicate dance in the Milky Way’s centre could send its orbiting stars into harm’s way – but this particular flare did not come from the centre of a galaxy where supermassive black holes may be assumed to be lurking, and it was bright enough that a stellar-sized black hole would be an unlikely progenitor.

That burst of X-rays might therefore indicate the presence of the elusive intermediate mass black hole, but there remained the possibility of a false alarm.

The signal could have been coming from a less luminous source in the Milky Way itself. Using the orbiting Hubble Space Telescope, the location of the X-ray source has now been pinned down.

The emission comes from a star cluster on the edge of a distant galaxy, a likely home for intermediate black holes. The missing link may have been found at last.

Prof Chris Lintott is an astrophysicist and co-presenter ofThe Sky at Night. Chris was readingMultiwavelength Follow-up of the Hyperluminous Intermediate-mass Black Hole Candidate 3XMM J215022.4-055108 by Dacheng Lin et al.

This article originally appeared in the June 2020 issue of BBC Sky at Night Magazine.