Astronomie

Les trous noirs produisent-ils un rayonnement thermique ?

Les trous noirs produisent-ils un rayonnement thermique ?

Les trous noirs produisent-ils un rayonnement thermique, comme prévu sur des bases théoriques ? Ce rayonnement contient-il des informations sur leur structure interne, comme suggéré par la dualité jauge-gravité, ou non, comme l'implique le calcul original de Hawking ? Sinon, et les trous noirs peuvent s'évaporer, qu'advient-il de l'information qui y est stockée (puisque la mécanique quantique ne prévoit pas la destruction de l'information) ? Ou le rayonnement s'arrête-t-il à un moment donné en laissant des restes de trous noirs ? Existe-t-il un autre moyen de sonder leur structure interne d'une manière ou d'une autre, si une telle structure existe même ?


Le rayonnement de Hawking est le rayonnement du corps noir émis par les trous noirs. C'est un résultat théorique bien établi mais il n'a jamais été observé. Pour tous les trous noirs astrophysiques actuellement connus, il sera totalement insignifiant et ne sera jamais observé. La raison en est que la température équivalente du corps noir est inversement proportionnelle à la masse du trou noir. Pour tous les trous noirs actuellement connus, la température serait d'une infime fraction de degré au-dessus du zéro absolu.

La mécanique quantique est une approche probabiliste de la physique et traite toutes sortes de probabilités et d'incertitudes. Il existe une telle incertitude de temps et d'énergie, donnée par (Δt) (ΔE) ≥ ℏ/2

L'une de ses prédictions, qui a été confirmée expérimentalement, est qu'une particule peut prendre une énergie E de « rien » et pourtant ne pas violer la loi de conservation de l'énergie-masse si elle « renvoie » l'énergie dans un temps donné par (Δt )≥ ℏ/(2E).

L'une de ses nombreuses implications est que des fluctuations aléatoires du vide se produisent constamment partout, c'est-à-dire que même si une certaine région de l'espace n'a rien ou est purement vide, elle peut toujours générer et annihiler constamment des particules en raison de l'incertitude E-t.

avance rapide

Lorsqu'une telle fluctuation provoque la génération d'une particule et de son antiparticule sur le bord de l'horizon des événements d'un trou noir, l'une des deux entre dans le trou noir et l'autre s'en échappe. Maintenant, pour renvoyer l'énergie au système, la particule compte s'écraser sur son antiparticule, provoquant une « annihilation » et une conversion de la masse en énergie. Dans le scénario que j'ai décrit, cela ne peut jamais avoir lieu puisque la paire de particules a été séparée efficacement pour toujours. La particule qui pénètre dans l'horizon des événements a été piégée dans un puits gravitationnel à potentiel infini, on peut donc penser qu'elle a une énergie négative. Donc anti-intuitivement (attendez, quelle partie de tout cela est même intuitif !), la particule qui se cache à l'extérieur du trou noir absorbe de l'énergie du trou noir, (conservant ainsi l'énergie de masse) est convertie en un photon "classique" et s'échappe du proximité du trou noir.

Ainsi, petit à petit, de tels événements provoquent effectivement l'« évaporation » et la diminution d'un trou noir.

Le paradoxe apparent sur le fait que ce qui arrive à l'information qui entre dans un trou noir est un sujet de débat. Personne ne sait exactement comment ce paradoxe de l'information sur le trou noir peut être résolu, mais certaines spéculations sont fournies par Kip Thorne et Stephen Hawking, notamment la théorie du pare-feu et les publicités/CFT.


Les trous noirs produisent-ils un rayonnement thermique ? - Astronomie

Je m'appelle Ryan et je réfléchis à cette question depuis longtemps mais j'ai une connaissance limitée de la physique spatiale. Quel type d'énergie produit un trou noir (électrique, thermique ect.) ?

La seule façon de détecter les trous noirs est l'effet que leur masse gravitationnelle a sur les objets en dehors de l'horizon des événements. Ces objets peuvent tirer de l'énergie du trou noir, car ils tombent dans le puits de potentiel qu'ils chauffent et rayonnent (souvent dans la région des rayons X du spectre). Ainsi, les trous noirs ont de l'énergie gravitationnelle de leur masse. Un trou noir pourrait également avoir une charge, mais cela est rare dans l'univers qui est en grande partie neutre. De nombreux trous noirs tournent probablement, et ceux-ci ont également une énergie de rotation.

Cette page a été mise à jour le 27 juin 2015

A propos de l'auteur

Maîtres Karen

Karen a été étudiante diplômée à Cornell de 2000 à 2005. Elle a ensuite travaillé comme chercheuse dans le cadre d'enquêtes sur les décalages vers le rouge des galaxies à l'Université Harvard et fait maintenant partie de la faculté de l'Université de Portsmouth dans son pays d'origine, le Royaume-Uni. Dernièrement, ses recherches se sont concentrées sur l'utilisation de la morphologie des galaxies pour donner des indices sur leur formation et leur évolution. Elle est la scientifique de projet pour le projet Galaxy Zoo.


Radiation thermique vs. non thermique

Les "rayonnements lumineux" ou électromagnétiques peuvent être classés en deux groupes principaux : les rayonnements "thermiques" et "non thermiques". Il y a beaucoup d'objets visibles dans l'espace depuis notre petit coin de l'univers ici sur terre. Nous pouvons voir : notre soleil, notre lune, les planètes de notre système solaire, les comètes, le gaz et la poussière interstellaires, les étoiles de notre Voie lactée, d'autres galaxies, les étoiles naines blanches, les étoiles à neutrons, les novas, les supernovas, les pulsars, les radiogalaxies, les galaxies de Seyfert , objets BL Lacertae, quasars, (éventuellement) trous noirs, rafales de rayons gamma (GRB) et de nombreux autres objets.
Nous ne "voyons" ces objets qu'à cause de la lumière qu'ils nous envoient à travers l'espace (ou, dans quelques cas, à cause de la façon dont ils bloquent la lumière.) Cette lumière peut être analysée en regardant ses spectres. Ce processus est appelé spectroscopie.
La plupart de la lumière, provenant d'objets communs comme notre soleil et la majorité des étoiles, est ce qu'on appelle « thermique ». Si vous additionnez toute la lumière que vous voyez pendant une journée normale, puis la catégorisez - thermique par rapport à non thermique - près de 100 pour cent, sinon 100 pour cent, serait un rayonnement thermique. En général, le rayonnement thermique est très bien compris et est produit par des électrons changeant de position dans leurs couches orbitales autour des atomes.
La lumière thermique est classée comme ayant certaines longueurs d'onde et fréquences qui peuvent être tracées comme ayant un spectre continu. Le graphique de ce spectre a une forme spéciale et est appelé "rayonnement du corps noir" ou "rayonnement thermique".

Rayonnement du corps noir

Essentiellement, la lumière produite par les objets qui émettent le rayonnement du corps noir provient des électrons des atomes. Lorsque les électrons se déplacent d'une orbite à une autre dans un atome, ils produisent des photons. Ce processus est très bien compris par les scientifiques. Le développement de la physique quantique a commencé à la suite des efforts des scientifiques pour expliquer le rayonnement du corps noir.

Rayonnement non thermique

Certains des objets les plus inhabituels dans l'espace tels que les supernovas, les pulsars, les radiogalaxies, les galaxies de Seyfert, les objets BL Lacertae, les GRB et autres, produisent de grandes quantités de photons qui peuvent ne pas être décrit comme un « rayonnement du corps noir » ou un « rayonnement thermique ». Ces photons sont presque certainement n'ont pas été faits par des électrons changeant d'orbite. Ce processus est ne pas aussi bien compris par les scientifiques, et ce qui est connu peut être incomplet.
Les scientifiques connaissent deux techniques qui peuvent être utilisées pour créer un rayonnement non thermique : le processus synchrotron et le processus Compton inverse. Le modèle de particules de boule de lumière décrit un nouveau - troisième - processus qui peut produire un rayonnement non thermique. Ce modèle particulaire décrit les particules « élémentaires » comme : des ondes sphériques stationnaires de champs électriques, magnétiques et gravitationnels - essentiellement comme des boules de lumière. Selon ce modèle particulaire, lorsque ces particules "élémentaires" se désintègrent, elles créent un rayonnement non thermique. Le modèle de particules de boule de lumière prédit également qu'un rayonnement non thermique peut être créé par les champs électromagnétiques à la surface d'une boule de lumière.
Pour résumer : le rayonnement thermique provient uniquement des électrons se déplaçant à l'intérieur des atomes, le rayonnement non thermique provient de n'importe quelle surface ou de la désintégration d'une boule de lumière.
Il est important de comprendre que, dans le modèle de particules de la boule de lumière, les particules "élémentaires" ne sont pas nécessairement petites. Théoriquement, la seule limite à la taille d'une telle particule concerne toute l'énergie de l'univers. Pour être plus explicite, la somme de toute l'énergie qui comprend l'univers aujourd'hui peut avoir existé sous la forme d'une particule "élémentaire" extrêmement grande. Les noyaux d'objets qui produisent un rayonnement non thermique - comme un quasar - peuvent être plus petits, mais sont toujours très gros "élémentaires". particules. D'autres exemples incluent les noyaux de : toutes les étoiles, les étoiles naines blanches, les étoiles à neutrons, les novas, les supernovas, les pulsars, les radiogalaxies, les galaxies de Seyfert, les objets BL Lacertae, les trous noirs et les GRB.

Le modèle de particules de la boule de lumière prédit que le noyau de notre soleil et les noyaux des étoiles "normales" sont également des particules élémentaires simples, grandes et similaires plutôt qu'un conglomérat de plasma ou quelque chose d'autre appelé matière "dégénérée".
Prouver ou réfuter cette théorie devrait être relativement facile. Il devrait être possible de produire dans le vide dans un laboratoire ici sur terre, des ondes sphériques d'énergie électrique, magnétique et gravitationnelle, puis de regarder ces particules se désintégrer et d'analyser leurs spectres pour voir si elles émettent un rayonnement thermique ou non thermique. Si une boule de lumière en décomposition émet un rayonnement non thermique, cela soutiendrait le modèle de particules de boule de lumière.
Si l'énergie peut former des ondes stationnaires de la manière décrite ici, alors cette nouvelle méthode plus élémentaire de production de rayonnement non thermique devrait avoir d'énormes implications pour la physique, l'astrophysique et l'astronomie.

Rayonnement synchrotron

Lorsque les électrons sont accélérés ou décélérés dans un champ magnétique, ils émettent un rayonnement connu sous le nom de rayonnement synchrotron - lors de la décélération, il est parfois appelé rayonnement de freinage ou rayonnement "Bremsstrahlung".

Le rayonnement synchrotron des pulsars ?

Si les pulsars créent leur rayonnement en utilisant la méthode synchrotron, alors le pulsar aurait besoin d'un champ magnétique massif et d'un approvisionnement continu - pendant des milliards d'années - d'électrons de très haute énergie. Il pourrait être possible de créer une situation dans l'espace où ces conditions inhabituelles sont réunies. Cependant, il semble y avoir des pulsars répartis dans tout l'univers et ils semblent être assez communs. Il est peu probable qu'un processus aussi inhabituel soit la source d'énergie pour un objet apparemment commun.

Le modèle de particules de boule de lumière prédit que les pulsars sont des boules de lumière qui sont balayées par une onde électromagnétique massive. Il prédit qu'ils ne produisent pas leur rayonnement en utilisant la méthode synchrotron.

Rayonnement non thermique des pulsars

"Nous devons admettre d'emblée que nous avons une très mauvaise compréhension des processus par lesquels les pulsars rayonnent."

F. G. Smith
Pulsars, W.H. Freeman & Co.
San Francisco, 1977, page 171

"Il est clair que la distribution d'énergie continue observée ne correspond à aucun modèle dans lequel le rayonnement est émis thermiquement à partir d'un gaz chaud." "Il n'y a que deux processus qui semblent être possibles dans cette situation. Ce sont l'émission synchrotron et l'émission par le procédé Compton inverse.

M. et G. Burbidge
Objets quasi-stellaires, W. H. Freeman & Co.
San Francisco, 1967, page 52

On suppose que la source d'énergie des pulsars est le rayonnement synchrotron car, jusqu'à présent, il n'y avait pas d'autres alternatives à la création de rayonnement non thermique. L'argument va quelque chose comme ceci : les pulsars existent, les pulsars produisent un rayonnement non thermique, les scientifiques n'ont pas d'alternative pour créer un rayonnement non thermique dans les pulsars autre que le rayonnement synchrotron, donc les pulsars doivent être théoriquement modélisés à l'aide du rayonnement synchrotron.
Le rayonnement synchrotron est polarisé. Il a été avancé que puisque le rayonnement des pulsars est polarisé, cela prouve que les pulsars utilisent le rayonnement synchrotron. (Ce n'est pas un argument valable.)
Certains des problèmes avec ces arguments sont les suivants : nous ne savons pas tout, il pourrait y avoir un autre processus qui génère l'énergie du pulsar, un autre processus pourrait également créer un rayonnement polarisé.
L'une des pierres angulaires du modèle de particules de la boule de lumière est que les particules élémentaires sont constituées de photons de polarisation opposée. Lorsque la matière est convertie en énergie, il est naturel que le rayonnement soit polarisé. Ainsi, puisque la lumière des pulsars est polarisée, cela prend également en charge le modèle de particules de boule de lumière.
Le modèle de particules de boule de lumière explique facilement les pulsars d'une nouvelle manière :

  • Le cœur d'un Pulsar est une boule de lumière
  • Le Pulsar a des champs électromagnétiques massifs qui balayent sa surface
  • Ces champs créent les impulsions massives d'énergie qui caractérisent les pulsars
  • Ces champs induisent de plus petites boules de lumière qui sont éjectées du Pulsar
  • Les boules de lumière éjectées ralentissent et se désintègrent davantage dans la nébuleuse qui entoure le Pulsar
  • Le rayonnement basse fréquence est, en général, émis depuis l'équateur du pulsar
  • Le rayonnement à haute fréquence est, en général, émis par les pôles du pulsar
  • En raison de la géométrie d'une sphère, au moins un pôle de chaque pulsar serait partiellement visible
  • Des rayons X seraient émis par les pôles des pulsars
  • Des rayons X seraient émis par la désintégration secondaire des particules éjectées des pôles des pulsars
  • Au fur et à mesure que les ondes électromagnétiques balayent la surface du pulsar, le rayonnement non thermique de longueur d'onde plus courte tombera à zéro au cours d'un cycle de pulsation
  • En raison de la géométrie d'un pôle du pulsar partiellement visible, et en raison des rayons X émis par les pôles et des désintégrations secondaires, le rayonnement non thermique des rayons X ne devrait pas tomber à zéro au cours d'un cycle de pulsation.

Rayonnement non thermique des radio-galaxies

Les radiogalaxies telles que 3C 449 produisent d'énormes quantités de rayonnement non thermique. La théorie astrophysique actuelle ne peut pas expliquer ce rayonnement avec l'explication du rayonnement synchrotron. Les bras d'énormes radiogalaxies comme 3C449 peuvent mesurer 100 millions d'années-lumière. Mais au mieux, le rayonnement synchrotron ne pourrait fonctionner que jusqu'à environ 10 millions d'années-lumière. Après cela, les électrons auraient ralenti au point de ne plus rayonner. De plus, comme l'indiquent de nombreux rapports, il est courant aux extrémités des bras d'une radiogalaxie que le rayonnement s'éclaire !
Le modèle de particules de la boule de lumière explique facilement toutes les caractéristiques des radiogalaxies :

  • Le noyau central est une boule de lumière en décomposition
  • Le noyau central a deux ondes électromagnétiques massives balayant d'un pôle à 180 degrés hors phase
  • Le noyau reste essentiellement immobile par rapport aux bras car il est harmonique à l'exception des deux ondes massives qui sont égales et opposées en magnitude (En fait, une onde massive pourrait aussi facilement expliquer les observations.)
  • Les ondes induisent de très grosses boules de lumière sur les pôles du noyau
  • Des champs électromagnétiques répulsifs massifs éjectent les boules de lumière induites loin du noyau à des vitesses relativistes
  • Les boules de lumière éjectées sont très stables car elles sont éjectées à grande vitesse et ont donc des champs gravitationnels très élevés
  • Les boules de lumière éjectées expliquent les "nœuds" dans les bras des radiogalaxies
  • Les boules de lumière éjectées deviennent moins stables à mesure qu'elles ralentissent - émettant en continu un rayonnement non thermique polarisé (Voir aussi, Zones d'instabilité)
  • Les boules de lumière éjectées peuvent exploser lorsqu'elles ralentissent à une vitesse instable, créant des zones d'instabilité aux extrémités des bras des radiogalaxies
  • Les boules de lumière éjectées ont continuellement éjecté des électrons de haute énergie expliquant ainsi une partie du rayonnement non thermique par les électrons

(La boule de lumière centrale éjecte de plus petites boules de lumière de deux pôles opposés. Au fur et à mesure que les boules de lumière éjectées s'éloignent du noyau central, elles subissent un mode de désintégration "fizzle". Lorsqu'elles ralentissent suffisamment, elles deviennent moins stables et se désintègrent de manière explosive dans les lobes externes. Cela explique comment l'énergie est transportée vers les lobes depuis le noyau et de nombreux autres détails.)


Les trous noirs produisent-ils un rayonnement thermique ? - Astronomie

Lorsqu'une étoile n'a plus de combustible nucléaire, elle s'effondre. Si le noyau, ou la région centrale, de l'étoile a une masse supérieure à trois Soleils, aucune force nucléaire connue ne peut empêcher le noyau de former une profonde déformation gravitationnelle dans l'espace appelée trou noir.

Un trou noir n'a pas de surface au sens habituel du terme. Il y a simplement une région, ou une frontière, dans l'espace autour d'un trou noir au-delà de laquelle nous ne pouvons pas voir. Cette limite est appelée l'horizon des événements.

Tout ce qui passe au-delà de l'horizon des événements est voué à être écrasé alors qu'il descend toujours plus profondément dans le puits gravitationnel du trou noir. Aucune lumière visible, ni rayons X, ni aucune autre forme de rayonnement électromagnétique, ni aucune particule, aussi énergétique soit-elle, ne peut s'échapper. Le rayon de l'horizon des événements (proportionnel à la masse) est très petit, seulement 30 kilomètres pour un trou noir non tournant avec la masse de 10 Soleils.

Les astronomes peuvent-ils voir un trou noir ? Pas directement. La seule façon d'en trouver un est d'utiliser des preuves circonstancielles. Les observations doivent impliquer qu'une quantité suffisamment grande de matière est comprimée dans une région suffisamment petite de l'espace pour qu'aucune autre explication ne soit possible. Pour les trous noirs stellaires, cela signifie observer l'accélération orbitale d'une étoile en orbite autour de son compagnon invisible dans un système d'étoiles doubles ou binaires.

La recherche de trous noirs est une affaire délicate. Une façon de les localiser a été d'étudier les systèmes binaires à rayons X. Ces systèmes consistent en une étoile visible en orbite rapprochée autour d'une étoile compagnon invisible qui peut être une étoile à neutrons ou un trou noir. L'étoile compagne éloigne le gaz de l'étoile visible.

Comme ce gaz forme un disque aplati, il tourbillonne vers le compagnon. La friction causée par les collisions entre les particules dans le gaz les chauffe à des températures extrêmes et elles produisent des rayons X qui clignotent ou varient en intensité en une seconde.


Chandra image de la
candidat trou noir
XTE J1118+480
(point lumineux central).
Les pointes et les rayons s'étendant du point lumineux sont des artefacts instrumentaux.

De nombreuses sources binaires de rayons X brillants ont été découvertes dans notre galaxie et les galaxies voisines. Dans une dizaine de ces systèmes, la vitesse orbitale rapide de l'étoile visible indique que le compagnon invisible est un trou noir. (La figure de droite est une image aux rayons X du candidat trou noir XTE J1118+480.) Les rayons X de ces objets sont produits par des particules très proches de l'horizon des événements. En moins d'une seconde après avoir émis leurs rayons X, ils disparaissent au-delà de l'horizon des événements.

Cependant, toute la matière du disque autour d'un trou noir n'est pas vouée à tomber dans le trou noir. Dans de nombreux systèmes de trous noirs, une partie du gaz s'échappe sous forme de vent chaud qui est soufflé loin du disque à grande vitesse. Encore plus dramatiques sont les jets à haute énergie que les observations radio et aux rayons X montrent exploser loin de certains trous noirs stellaires. Ces jets peuvent se déplacer presque à la vitesse de la lumière dans des faisceaux serrés et voyager plusieurs années-lumière avant de ralentir et de disparaître.

Les trous noirs se développent-ils lorsque la matière y tombe ? Oui, la masse du trou noir augmente d'une quantité égale à la quantité de masse qu'il capte. Le rayon de l'horizon des événements augmente également d'environ 3 kilomètres pour chaque masse solaire qu'il avale. Un trou noir au centre d'une galaxie, où les étoiles sont densément emballées, peut atteindre la masse d'un milliard de soleils et devenir ce qu'on appelle un trou noir supermassif. Récemment, Chandra a trouvé des preuves que des trous noirs avec des masses d'environ mille Soleils peuvent être formés dans des amas d'étoiles denses par des processus qui ne sont pas encore compris.


Le spectre thermique du trou noir analogique met le rayonnement de Hawking sous un nouveau jour

Des physiciens en Israël ont montré que le rayonnement d'un trou noir analogique a un spectre thermique. Cela leur permet d'attribuer une température au «trou noir», fournissant une preuve expérimentale indirecte de l'existence du rayonnement de Hawking.

La conception populaire d'un trou noir est un aspirateur cosmique sans remords qui aspire tout et ne laisse rien s'échapper - pas même la lumière. Cependant, lorsque la mécanique quantique est ajoutée au mélange, les choses se compliquent. En 1974, Stephen Hawking a montré théoriquement que des paires de photons sont créées à l'horizon des événements d'un trou noir - une avec une énergie positive et une avec une énergie négative. Le photon d'énergie négative est attiré dans le trou noir, tandis que le photon d'énergie positive est émis dans l'espace. Cela fournit un flux d'énergie constant du trou noir.

Les implications théoriques de ceci sont révolutionnaires, car elles suggèrent que les trous noirs ont des températures. La température est définie en mécanique statistique par l'énergie moyenne dans un système qui a un grand nombre de degrés de liberté (comme un gaz comprenant de nombreuses molécules). Dans la théorie de la relativité générale d'Einstein, cependant, un trou noir est défini uniquement par sa masse, sa charge et son spin. Affecter une température à un trou noir nécessite donc soit de lui donner des degrés de liberté supplémentaires, soit de redéfinir le concept de température lui-même.

Accomplissement majeur

Détecter le rayonnement Hawking d'un trou noir serait donc un accomplissement majeur - mais aussi une tâche presque impossible. Le problème est que tous les trous noirs connus ont prédit des températures inférieures à la température du fond diffus cosmologique. Cela signifie que tout rayonnement émis par les trous noirs serait masqué par le rayonnement qu'ils absorbent.

Une voie à suivre est le fait que les équations régissant la relativité générale sont mathématiquement analogues à celles décrivant la propagation des ondes dans les milieux en mouvement. En 1981, William Unruh de l'Université de la Colombie-Britannique au Canada montra théoriquement que de tels systèmes devaient présenter un rayonnement de Hawking. Plusieurs groupes ont depuis essayé de simuler le rayonnement de Hawking en utilisant des ondes d'eau, de la lumière dans des fibres optiques et divers autres systèmes, mais ces expériences sont semées de difficultés. Certaines observations rapportées du rayonnement de Hawking se sont révélées plus tard erronées, tandis que d'autres affirmations sont toujours contestées.

Pendant plusieurs années, Jeff Steinhauer et ses collègues du Technion à Haïfa ont travaillé sur des analogues de trous noirs basés sur des condensats de Bose-Einstein, qui sont des ensembles ultrafroids d'atomes piégés. Du côté haut d'une étape d'énergie potentielle, le condensat de Steinhauer s'écoule lentement. Du côté à faible énergie de la marche, cependant, le flux s'accélère. De part et d'autre de cet « horizon sonore », des paires de phonons (quanta d'ondes sonores) sont créées. Au-dessus de la marche, la vitesse du son dans le condensat est supérieure à la vitesse du condensat lui-même, donc le phonon s'échappe. En dessous de la marche, cependant, la vitesse du son est inférieure à la vitesse d'écoulement des condensats. Ce phonon est donc entraîné inexorablement dans un « trou noir » analogique.

Intrication quantique

En 2014, Steinhauer a affirmé avoir observé un rayonnement de Hawking auto-amplificateur provenant d'un trou noir analogique à deux horizons. Par la suite, en 2016, il a détecté une intrication quantique entre les ondes émises et les ondes balayées dans le trou noir. Dans ces deux cas, cependant, il y a eu des sceptiques. « Sa démonstration expérimentale d'un laser à trou noir était en fait quelque chose de complètement différent », explique Ulf Leonhardt de l'Institut des sciences Weizmann, également en Israël, qui étudie les analogues de trous noirs dans les fibres optiques « Et j'ai fait une réanalyse de son article de 2016 , concluant que ce qu'il avait vu était un artefact statistique.

Pour démontrer le phénomène de manière concluante, l'équipe de Steinhauer a apporté 21 améliorations à l'expérience sur près de trois ans. En conséquence, ils ont pu mesurer l'énergie émise à chaque fréquence différente et montrer que le rayonnement avait le spectre énergétique d'un corps noir, avec une température bien définie.

Étape importante

Leonhardt en est convaincu : « Je félicite vraiment Jeff pour son travail, qui est une étape importante pour la communauté. C'est quelque chose dont il devrait être fier et quelque chose que nous devrions tous célébrer comme un excellent journal.

Des physiciens stimulent le rayonnement de Hawking à partir d'un analogue optique d'un trou noir

Le physicien théoricien James Anglin de l'Université de Kaiserslautern en Allemagne est d'accord, mais il soupçonne que la compréhension des vrais trous noirs ne viendra pas d'un système aussi propre que celui de Steinhauer. "La vérité est que tous les mystères importants sur les effets quantiques avec les trous noirs concernent la dynamique non linéaire", dit-il. « Donc, ce que j'aimerais vraiment voir ensuite serait en quelque sorte un recul par rapport à ce que Jeff a héroïquement fait : laisser les effets non linéaires dans un trou noir sonique faire des dégâts, et voir quels dégâts ils font. »

Anglin ajoute que cela pourrait aider à répondre à des questions importantes sur la physique des trous noirs telles que : « Est-ce que l'émission de rayonnement thermique fait rétrécir les trous noirs ? Si tel est le cas, les informations piégées à l'intérieur du trou noir ressortent-elles pendant le rétrécissement, le rétrécissement s'arrête-t-il à un objet quantique résiduel qui contient toujours toutes les informations, ou les informations meurent-elles simplement ? La surface du trou noir compte-t-elle vraiment comme de l'entropie ? Existe-t-il un lien profond entre la mécanique quantique, la thermodynamique et la gravité ? »


Blazar « changeant de look » repéré à 6,3 milliards d'années-lumière

Image d'archive Sloan Digital Sky Survey de mars 2004 (à gauche) et l'image de la campagne d'observation de B2 1420+32 prise par Mishra et al. en janvier 2020 en utilisant ASAS-SN (à droite), la luminosité du blazar a été multipliée par 100. Crédit image : SDSS / Mishra et al., doi : 10.3847/1538-4357/abf63d.

Les blazars sont de puissants noyaux galactiques actifs (AGN) avec des jets relativistes pointant vers l'observateur.

Leurs jets couvrent des distances de l'ordre du million d'années-lumière et sont connus pour avoir un impact sur l'évolution des galaxies et des amas de galaxies dans lesquels ils résident via le rayonnement.

Ces caractéristiques font des blazars des environnements idéaux pour étudier la physique des jets et leur rôle dans l'évolution des galaxies.

"Les Blazars sont un type unique d'AGN avec des jets très puissants", a déclaré l'auteur principal Hora Mishra, un doctorat. étudiant au Département de physique et d'astronomie Homer L. Dodge de l'Université d'Oklahoma.

"Les jets sont un mode de rétroaction radio et en raison de leurs échelles, ils pénètrent dans la galaxie dans leur environnement à grande échelle."

« L'origine de ces jets et les processus entraînant le rayonnement ne sont pas bien connus. Ainsi, l'étude des blazars nous permet de mieux comprendre ces jets et comment ils sont connectés à d'autres composants de l'AGN, comme le disque d'accrétion.

"Ces jets peuvent chauffer et déplacer du gaz dans leur environnement affectant, par exemple, la formation d'étoiles dans la galaxie."

Dans la recherche, Mishra et ses collègues ont étudié l'évolution de B2 1420+32, un blazar situé à 6,3 milliards d'années-lumière dans la constellation de Boötes.

Fin 2017, ce blazar présentait une énorme éruption optique, un phénomène capturé par le réseau de télescopes All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASAS-SN).

"Nous avons suivi cela en observant l'évolution de son spectre et de sa courbe de lumière au cours des deux prochaines années et avons également récupéré les données d'archives disponibles pour cet objet", a déclaré Mishra.

"La campagne, avec des données couvrant plus d'une décennie, a donné des résultats des plus excitants."

« Nous constatons pour la première fois une variabilité dramatique dans le spectre et de multiples transformations entre les deux sous-classes de blazar, lui donnant ainsi le nom de blazar « changeant de look ».

Les astronomes ont conclu que ce comportement est causé par les changements spectaculaires du flux continu, qui confirment une théorie proposée depuis longtemps qui sépare les blazars en deux catégories principales.

"En outre, nous voyons plusieurs très grandes éruptions multibandes dans les bandes optiques et gamma à différentes échelles de temps et de nouvelles caractéristiques spectrales", a déclaré Mishra.

"Une telle variabilité extrême et les caractéristiques spectrales exigent des recherches dédiées pour davantage de blazars, ce qui nous permettra d'utiliser les changements spectraux spectaculaires observés pour révéler la physique AGN/jet, y compris comment les particules de poussière autour des trous noirs supermassifs sont détruites par l'énorme rayonnement du moteur central et comment l'énergie d'un jet relativiste est transférée dans les nuages ​​de poussière, fournissant un nouveau canal reliant l'évolution du trou noir supermassif à sa galaxie hôte.

« Nous sommes très excités par les résultats de la découverte d'un blazar au look changeant qui se transforme non pas une, mais trois fois, entre ses deux sous-classes, à partir des changements spectaculaires de son émission continue. »

« De plus, nous voyons de nouvelles caractéristiques spectrales et une variabilité optique sans précédent. Ces résultats ouvrent la porte à d'autres études de ce type sur les blazars très variables et leur importance dans la compréhension de la physique des AGN.

« Il est vraiment intéressant de voir l'émergence d'une forêt de raies d'émission de fer, suggérant que les particules de poussière à proximité ont été évaporées par le fort rayonnement du jet et ont libéré des ions de fer libres dans les nuages ​​​​émetteurs, un phénomène prédit par les modèles théoriques et confirmé dans cette explosion de blazar », a déclaré le Dr Xinyu, également du département de physique et d'astronomie Homer L. Dodge de l'Université de l'Oklahoma.

L'étude a été publiée dans le Journal d'astrophysique.

Hora D. Mishra et al. 2021. Le Blazar au look changeant B2 1420+32. ApJ 913, 146 doi : 10.3847/1538-4357/abf63d


Trous noirs et cheveux mous : pourquoi le travail final de Stephen Hawking est important

Le paradoxe de l'information est peut-être le problème le plus déroutant de la physique théorique fondamentale aujourd'hui. Il a été découvert par Stephen Hawking il y a 43 ans et jusqu'à récemment, il en a intrigué beaucoup.

À partir de 2015, Stephen, Andrew Strominger et moi avons commencé à nous demander si nous pouvions comprendre un moyen de sortir de cette difficulté en remettant en question les hypothèses de base qui sous-tendent les difficultés. Nous avons publié notre premier article sur le sujet en 2016 et nous travaillons dur sur ce problème depuis.

Le travail le plus récent, et peut-être le dernier article auquel Stephen a participé, vient de sortir. Bien que nous n'ayons pas résolu le paradoxe de l'information, nous espérons avoir ouvert la voie et nous poursuivons notre travail intensif dans ce domaine.

La physique, c'est vraiment être capable de prédire l'avenir compte tenu de la situation actuelle. Par exemple, si vous lancez une balle, une fois que vous connaissez sa position initiale et sa vitesse, vous pouvez déterminer où elle se trouvera dans le futur. Ce genre de raisonnement convient à ce que nous appelons la physique classique, mais pour les petites choses, comme les atomes et les électrons, les règles nécessitent quelques modifications, comme décrit par la mécanique quantique. En mécanique quantique, au lieu de décrire des résultats précis, on constate que l'on ne peut calculer que les probabilités que diverses choses se produisent. Dans le cas d'un lancer de balle, on ne connaîtrait pas sa trajectoire précise, mais seulement la probabilité qu'elle se trouve à un endroit particulier compte tenu de ses conditions initiales.

Ce que Hawking a découvert, c'est qu'en physique des trous noirs, il semblait y avoir une incertitude encore plus grande qu'en mécanique quantique. Cependant, ce type d'incertitude semblait totalement inacceptable dans la mesure où il entraînait l'effondrement de nombreuses lois de la physique. Cela nous priverait de la capacité de prédire quoi que ce soit sur l'avenir d'un trou noir.

Cela n'avait peut-être pas d'importance, sauf que les trous noirs sont de véritables objets physiques. There are huge black holes at the centres of many galaxies. We know this because observations of the centre of our galaxy show that there is a compact object with a mass of a few million times that of our sun there such a huge concentration of mass could only be a black hole. Quasars, extremely luminous objects at the centres of very distant galaxies, are powered by matter falling onto black holes. The observatory Ligo has recently discovered ripples in spacetime, gravitational waves, produced by the collision of black holes.

The root of the problem is that it was once thought that black holes were completely described by their mass and their spin. If you threw something into a black hole, once it was inside you would be unable to tell what it was that was thrown in.

These ideas were encapsulated in the phrase “a black hole has no hair”. We can often tell people apart by looking their hair, but black holes seemed to be completely bald. Back in 1974, Stephen discovered that black holes, rather than being perfect absorbers, behave more like what we call “black bodies”. A black body is characterised by a temperature, and all bodies with a temperature produce thermal radiation.

If you go to a doctor, it is quite likely your temperature will be measured by having a device pointed at you. This is an infrared sensor and it measures your temperature by detecting the thermal radiation you produce. A piece of metal heated up in a fire will glow because it produces thermal radiation.

Black holes are no different. They have a temperature and produce thermal radiation. The formula for this temperature, universally known as the Hawking temperature, is inscribed on the memorial to Stephen’s life in Westminster Abbey. Any object that has a temperature also has an entropy. The entropy is a measure of how many different ways an object could be made from its microscopic ingredients and still look the same. So, for a particular piece of red hot metal, it would be the number of ways the atoms that make it up could be arranged so as to look like the lump of metal you were observing. Stephen’s formula for the temperature of a black hole allowed him to find the entropy of a black hole.

The problem then was: how did this entropy arise? Since all black holes appear to be the same, the origin of the entropy was at the centre of the information paradox.

What we have done recently is to discover a gap in the mathematics that led to the idea that black holes are totally bald. In 2016, Stephen, Andy and I found that black holes have an infinite collection of what we call “soft hair”. This discovery allows us to question the idea that black holes lead to a breakdown in the laws of physics.

Stephen kept working with us up to the end of his life, and we have now published a paper that describes our current thoughts on the matter. In this paper, we describe a way of calculating the entropy of black holes. The entropy is basically a quantitative measure of what one knows about a black hole apart from its mass or spin.

While this is not a resolution of the information paradox, we believe it provides some considerable insight into it. Further work is needed but we feel greatly encouraged to continue our research in this area. The information paradox is intimately tied up with our quest to find a theory of gravity that is compatible with quantum mechanics.

Einstein’s general theory of relativity is extremely successful at describing spacetime and gravitation on large scales, but to see how the world works on small scales requires quantum theory. There are spectacularly successful theories of the non-gravitational forces of nature as explained by the “standard model” of particle physics. Such theories have been exhaustively tested and the recent discovery of the Higgs particle at Cern by the Large Hadron Collider is a marvellous confirmation of these ideas.

Yet the incorporation of gravitation into this picture is still something that eludes us. As well as his work on black holes, Stephen was pursuing ideas that he hoped would lead to a unification of gravitation with the other forces of nature in a way that would unite Einstein’s ideas with those of quantum theory. Our work on black holes does indeed shed light on this other puzzle. Sadly, Stephen is no longer with us to share our excitement about the possibility of resolving these issues, which have now been around for half a century.

Malcolm Perry is professor of theoretical physics at the University of Cambridge, and a co-author of the new black hole research.

A Guardian Live event celebrating the work of Stephen Hawking, with Jim Al-Khalili, Maggie Aderin-Pocock and others, will take place on Monday 15 October at the Royal Institution in London


Do black holes produce thermal radiation? - Astronomie

How did the first astronomer discover the first black hole? Who had discovered it and when was it found? Please explain how the first black hole was discovered.

No single astronomer has the credit for discovering a black hole. Before I explain how astronomers found evidence for the existence of black holes, let me give you some of the necessary physics background.

1. Any body which is above absolute zero (-273 Celsius) radiates thermal energy, and the peak wavelength of emission depends on the temperature of the object. For example, the sun's surface is about 6000 Kelvin so that its peak emission is in green light. If an object's temperature is about a million degrees, then its peak emission will be in X-rays.

2. Normally stars are prevented from collapsing from gravity due to thermal gas pressure and radiation pressure. However, if the thermal energy source (nuclear fusion reactions) stop, then the star will collapse. It turns out that there are forces other than gas pressure which counteract gravity when the star becomes more compact (for instance the neutron star is only 10 km across!). But the astrophysicist Chandrasekar proved that there is a maximum mass beyond which nothing can beat gravity. So, if we detect a compact object in space which is more than this critical mass, then we can be confident that it is a black hole.

Now to return to the question of finding black holes: How can one detect a black hole if nothing can escape from it? Consider a binary system of stars where one of the stars is a black hole and the other a normal star. If the normal star's envelope gets close enough to the black hole, then the fierce gravity of the black hole can rip out gas from the normal star which is then swallowed by the black hole.

However, due to the conservation of angular momentum, the gas cannot plunge straight into the black hole, but must orbit it for some time before it gets sucked. Thus, a disc like structure is formed around the black hole from which gas is pulled slowly into the black hole. When the gas orbits the black hole in the disc, its temperature is raised to several millions of degrees which emits radiation in the X-ray part of the spectrum (by the first note that I explained above). Thus, when we detect X-ray sources in the sky, then we know that there is gas which has been heated to several million degrees, and one of the mechanisms to achieve that is the accretion disc around the black hole.

If the system giving out X-rays turns out to be a binary star, then a case can be made that one of the stars is a compact object (a neutron star or a black hole). Binary stars are very useful to astronomers because it allows us to measure the mass of the stars in the system (by Kepler's laws). If the mass of the compact object turns out to be more than the critical mass mentioned above, then one can be sure that it is a black hole. So that is how black holes are discovered.

Now about actual discovery: In the early 1970s, an intense X-ray source was found in the constellation Cygnus called Cygnus X-1. As the years passed, in the spring of 1972, Cygnus X-1 was identified with a star known by its classification number HDE226868 (which is a radio source). Soon evidence was found that it is a binary star system with a period of about 5.6 days.

By the special theory of relativity, no information can travel faster than the speed of light. Hence, a celestial object cannot change its luminosity on a time scale shorter than the time taken for the light to reach from one side of it to the other. Analysis of Cygnus X-1 showed that its emission had luminosity variations on time scales as short as thousandths of a second, suggesting that the object was only a few kilometers wide. Thus evidence was found that one of the stars was a compact object. Finally, astronomers used the binary star system to determine the mass of the compact object and found that it was greater than the critical mass, so that it was most likely a black hole. That is about the discovery of the first black hole in our universe.

Since then, astronomers have detected several black holes in space using several techniques. While one class of black holes have "small" masses (greater than 5 times the mass of the sun), there are others which have gigantic masses (more than a million times the mass of the sun), called supermassive black holes. These black holes are found in the centers of several galaxy, with our own Milky Way harbouring a two million mass black hole in the center.

This page was last updated June 27, 2015.

A propos de l'auteur

Jagadheep D. Pandian

Jagadheep a construit un nouveau récepteur pour le radiotélescope d'Arecibo qui fonctionne entre 6 et 8 GHz. Il étudie les masers au méthanol à 6,7 GHz dans notre Galaxie. Ces masers se produisent sur des sites où naissent des étoiles massives. Il a obtenu son doctorat de Cornell en janvier 2007 et a été stagiaire postdoctoral à l'Institut Max Planck de radioastronomie en Allemagne. Après cela, il a travaillé à l'Institut d'astronomie de l'Université d'Hawaï en tant que boursier postdoctoral submillimétrique. Jagadheep est actuellement à l'Institut indien de science et de technologie spatiales.


Accretion disks

Why should it go so fast, and why shouldn't it just tumble in instead of forming yon great mucking disk? There's this thing in physics called gravitational potential energy. The higher up in a gravitational field, the more gravitational potential energy something has. Take a bit of gas way above a black hole. It's got a lot of potential gravitational energy because it is very far from the black hole. Say that the piece of gas starts to fall toward the black hole. It is now lower in a gravitational field, so it must have less gravitational potential energy.

Where did that energy go? Well, some of the energy changed into kinetic energy (energy of motion), and the bit of gas sped up, which means it follows some kind of shrinking, erratic (possibly precessing), elliptical orbit. Some of the energy also went into heat. Hot objects radiate light, from a hot stove emitting infrared to a light bulb filament emitting visible light. The friction between the bit of gas and the other bits of gas around the black hole translates into more heat and more light being emitted. After a while the bit of gas starts to visibly glow. It falls some more, and soon it gets so hot that it emits X-rays. Astronomers have telescopes that scan the sky for X-ray sources and have found quite a few black holes that way.

So, that's why it goes so fast. But, what about the disk shape? Wouldn't it make sense for stuff to form a sphere around the black hole? There's one main reason why it forms a disk, and a secondary reason closer in to the black hole.

The main reason that disk forms is because of angular momentum. Those are big words to throw around, so, instead, think "things that are spinning like to stay spinning". Material falling onto a black hole has some angular momentum (it's really tough not to have quelconque), so it won't head straight for the event horizon. Instead, it orbits around the black hole. As it orbits, the material interacts with itself, bumping and jostling like a large crowd of people. This jostling redistributes the angular momentum, so suddenly some of the material is spinning more and some less. The material that gained momentum moves into a wider orbit, while the losers fall into small orbits. This spreads the material into a disk.

What's the second reason close in? Remember when I talked about rotating black holes and mentioned the ergosphere? Material that gets close enough to the black hole to enter the ergosphere finds itself moving with the "rotation" of the black hole. The ergosphere billows out from the outer event horizon, and it billows the most at the equator and the least at the poles. Material at the equator (that is, in the accretion disk) will get an additional spinning boost and keep from falling into the black hole longer. Material at the poles wouldn't get this boost.


Could a black hole be the ultimate energy source? Maybe, if you keep feeding it

Space might be where most powerful and just about limitless repositories of energy are lurking. We just don’t know how to harness it yet.

Black holes are kind of like dragons guarding their lairs full of treasure. Sure, they’ll give you that thing you’re looking for—but they always want something in return. Say you were able to snare escaped energy from a black hole (they supposedly don’t devour everything). What the black hole would require as payment is a gargantuan amount of energy, because otherwise, it would evaporate into the void over billions of years. Now a team of scientists have been able to, at least in a lab, prove a theory that sounded like pure science fiction. It might someday mean a new frontier in how we harness power.

More Black Hole

“Low-frequency acoustic modes with orbital angular momentum are transmitted through an absorbing rotating disk and amplified by up to 30%,” said physicist Marion Cromb, who recently led a study published in Nature Physics, adding that “These experiments address an outstanding problem in fundamental physics and have implications for future research into the extraction of energy from rotating systems.”

That sound amplification is the result of the rotational Doppler effect, as opposed to a linear Doppler effect, in which the frequency of a wave shifts because of the relative velocity between the observer and the source of the wave. The rotational Doppler effect is the result of an increase or decrease in wave frequency between an object rotating on an axis and the observer. In this case, sound waves produced by Cromb’s team were sent toward a spinning foam disc, and measuring them from this rotating surface revealed that they changed their pitch when measured from that surface because they had been twisted. Microphones caught the difference in sound.

If the surface rotates fast enough, it can warp the sound waves into going from a positive to a negative frequency and actually seize energy from the surface rotation. But where did even the possibility to pull off something like this come from?

Time-warp to 1969, when physicist Roger Penrose came up with what probably sounded like a potential idea for the next sci-fi blockbuster at the time. What Penrose suggested was that the energy produced by a rotating black hole could possibly be extracted, at least if you had a structure huge enough and powerful enough to rotate at the same rate as the black hole so you could lower and then release a mass from it. His contemporary Yakov Zel’dovich figured out that instead of a black hole, which you can’t exactly drag back to Earth, a rotating object capable of absorbing energy like a black hole could amp up electromagnetic waves and vacuum fluctuations so long as they had angular momentum. If a hypothetical object rotates on an axis, it has angular (as opposed to linear) momentum. Vacuum fluctuations or quantum fluctuations are temporary changes in the amount of energy present anywhere in space.

Fast-forward to 1974 and Stephen Hawking’s hypothesis that basic black holes which have only an event horizon, a singularity and an inert core can thermally create subatomic articles and send them zooming into space. The emitted particles are Hawking radiation. Without any star stuff to feed it, the black hole will drain its own energy until it completely evaporates. It is the intense gravity of a black hole that is thought to produce particles and their anti-particles just outside the event horizon, the black hole’s point of no return. The positive particle might escape as thermal radiation while the negative particle falls into the singularity, never to return.

Hawking radiation has been proven to be at least theoretically viable. This is what eventually led to Cromb’s team trying to capture similar energy produced with sound waves instead of light waves, and inevitable evaporation without more energy also explains why you have to keep feeding the monster.

“Although amplification of waves due to a rotating absorber is very hard to verify with optical or electromagnetic waves, direct measurements of it are possible using acoustic waves," Cromb said. “Similar concepts could in principle be extended to electromagnetic waves, thus possibly extending our results to the amplification of electromagnetic modes from the quantum vacuum.”