Astronomie

Des étoiles en orbite autour de trous noirs supermassifs

Des étoiles en orbite autour de trous noirs supermassifs

J'ai lu un article sur un groupe d'étoiles en orbite autour du trou noir supermassif Sagittaire A. Ces étoiles ont-elles été capturées par la gravité du trou noir comme les planètes capturent des lunes, ou sont-elles nées des restes de l'étoile qui est devenue une supernova et s'est transformée en trou noir ?


Ils sont capturés.

La formation de trous noirs supermassifs est assez incertaine. Ils peuvent s'être formés à partir de l'effondrement du noyau d'étoiles très anciennes (puis avoir grandi) ou ils peuvent avoir un autre mécanisme de formation dans le premier univers. Cependant, nous savons que le premier s'est formé très tôt dans l'histoire de l'univers. Ils sont aussi vieux que la galaxie, ou peut-être même plus vieux.

Par contre les étoiles qui orbitent autour du trou noir sont d'âge régulier. Ils ne sont pas particulièrement vieux. Par conséquent, le trou noir s'est formé bien avant les étoiles qui l'orbitent. Et donc ces étoiles ont dû être capturées par un mécanisme.

La formation d'étoiles ne se produit normalement pas dans les restes de supernova. Une supernova peut fournir le choc qui déclenche la formation d'étoiles dans les nuages ​​moléculaires.


Une étoile record trouvée en orbite autour d'un trou noir supermassif au centre de la Voie lactée

Les astronomes ont annoncé la découverte d'une étoile remarquable qui orbite autour du trou noir supermassif au centre de notre galaxie en seulement 11,5 ans - l'orbite connue la plus courte de toutes les étoiles proches de ce trou noir.

Cette image de l'Observatoire de Keck montre l'étoile à courte période S0-102, l'étoile S0-2 et la contrepartie électromagnétique du trou noir, Sgr A* (L. Meyer et al)

"L'étoile, connue sous le nom de S0-102, peut aider les astronomes à découvrir si Albert Einstein avait raison dans sa prédiction fondamentale de la façon dont les trous noirs déforment l'espace et le temps", a déclaré le co-auteur Andrea Ghez, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de California Los Angeles (UCLA), qui a co-écrit un article dans la revue La science (version arXiv.org).

Avant cette découverte, les astronomes ne connaissaient qu'une seule étoile avec une orbite très courte près du trou noir : S0-2, que le professeur Ghez appelait son « étoile préférée » et dont l'orbite est de 16 ans.

"Je suis extrêmement heureux de trouver deux étoiles qui orbitent autour du trou noir supermassif de notre galaxie en beaucoup moins d'une vie humaine", a déclaré le professeur Ghez, qui étudie 3 000 étoiles en orbite autour du trou noir et a étudié S0. -2 depuis 1995. "La plupart des étoiles ont des orbites de 60 ans ou plus."

C'est le tango de S0-102 et S0-2 qui révélera pour la première fois la véritable géométrie de l'espace et du temps à proximité d'un trou noir. Cette mesure ne peut pas être effectuée avec une seule étoile.”

« Les trous noirs, qui se forment à partir de l'effondrement de la matière, ont une densité si élevée que rien ne peut échapper à leur attraction gravitationnelle, pas même la lumière. Ils ne peuvent pas être vus directement, mais leur influence sur les étoiles proches est visible et fournit une signature », a expliqué le professeur Ghez.

La théorie de la relativité générale d'Einstein prédit que la masse déforme l'espace et le temps et donc non seulement ralentit l'écoulement du temps, mais étend ou rétrécit également les distances.

"Aujourd'hui, Einstein est dans chaque iPhone, car le système GPS ne fonctionnerait pas sans sa théorie", a déclaré l'auteur principal, le Dr Leo Meyer de l'Université de Californie à Los Angeles. “Ce que nous voulons savoir, c'est si votre téléphone fonctionnerait également si près d'un trou noir ? La star nouvellement découverte nous permet de répondre à cette question à l'avenir.”

Au cours des 17 dernières années, l'équipe a utilisé le W.M. Keck Observatory pour imager le centre galactique à la résolution angulaire la plus élevée possible.

"L'Observatoire Keck est le leader de l'optique adaptative depuis plus d'une décennie et nous a permis de réaliser d'énormes progrès dans la correction des effets de distorsion de l'atmosphère terrestre avec une imagerie à haute résolution angulaire", a déclaré le professeur Ghez. « C'est vraiment excitant d'avoir accès au plus grand et au meilleur télescope du monde. C'est pourquoi je suis venu à UCLA et pourquoi je reste à UCLA.”

« De la même manière que les planètes orbitent autour du Soleil, S0-102 et S0-2 sont chacune sur une orbite elliptique autour du trou noir central de la galaxie. Le mouvement planétaire dans notre système solaire était le test ultime pour la théorie gravitationnelle de Newton il y a 300 ans, le mouvement de S0-102 et S0-2 », a-t-elle déclaré, « sera le test ultime pour la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui décrit la gravité comme une conséquence de la courbure de l'espace et du temps.

« La chose passionnante à voir les étoiles parcourir leur orbite complète n'est pas seulement que vous pouvez prouver qu'un trou noir existe, mais que vous avez la première opportunité de tester la physique fondamentale en utilisant les mouvements de ces étoiles », a déclaré le professeur Ghez. « Au fur et à mesure que les étoiles se rapprochent le plus, leur mouvement sera affecté par la courbure de l'espace-temps, et la lumière voyageant des étoiles vers nous sera déformée. »

S0-2, qui est 15 fois plus lumineux que S0-102, passera par son approche la plus proche du trou noir en 2018.

Informations bibliographiques : L. Meyer et al. 2012. L'étoile de la période la plus courte en orbite autour du trou noir supermassif de notre galaxie. La science, vol. 338, non. 6103, p. 84-87 doi: 10.1126/science.1225506


Cette carte incroyable ne montre pas d'étoiles, mais 25 000 trous noirs supermassifs

Incroyablement, cette image ci-dessus ne montre pas un ciel étoilé. Au lieu de cela, chaque point blanc est un trou noir supermassif au cœur d'une galaxie différente. Cet ensemble extraordinaire a été créé non pas par la lumière visible mais par les ondes radio émises par la matière en orbite autour de ces trous noirs lointains et énormes, et est la carte du ciel la plus détaillée à ce jour en basses fréquences radio.

Les observations radio ont été collectées par le LOw-Frequency ARray (LOFAR), un système de 52 stations réparties dans neuf pays européens : Allemagne, Pays-Bas, Pologne, France, Royaume-Uni, Suède, Irlande, Lettonie et Italie. Ensemble, ils forment le plus grand radiotélescope combiné au monde.

"C'est le résultat de nombreuses années de travail sur des données incroyablement difficiles. Nous avons dû inventer de nouvelles méthodes pour convertir les signaux radio en images du ciel", a déclaré l'auteur principal, le Dr Francesco de Gasperin de l'Université de Hambourg, dans un communiqué.

Les données collectées couvrent 4 pour cent de la moitié nord du ciel et ne sont que le début d'un programme ambitieux visant à cartographier l'ensemble du ciel nord. Comme indiqué dans Astronomy & Astrophysics, le programme aidera à répondre à des questions à des échelles extrêmement différentes, des magnétosphères des exoplanètes aux distributions des galaxies dans l'univers.

Cette carte du ciel montre 25 000 trous noirs supermassifs. Chaque point blanc est un trou noir supermassif dans sa propre galaxie. Crédit d'image : sondage LOFAR/LOL

Les observations sont effectuées dans ce que l'on appelle les basses fréquences radio. Les longues longueurs d'onde radio sont grandement affectées par l'ionosphère, la couche de particules chargées électriquement qui entourent notre planète. Les électrons libres qui composent cette couche ne sont pas bons pour ces observations radio car leur mouvement affecte la qualité de ce que les astronomes peuvent observer.

« C'est comme lorsque vous essayez de voir le monde en étant immergé dans une piscine. Lorsque vous levez les yeux, les vagues sur l'eau de la piscine détournent les rayons lumineux et déforment la vue », a expliqué le co-auteur Reinout van Weeren de l'Observatoire de Leiden.

Corriger l'effet de l'ionosphère n'était pas une tâche facile. Les chercheurs ont dû utiliser des superordinateurs capables de faire exactement cela toutes les 4 secondes. Étant donné que cette carte a nécessité 256 heures d'observations, vous pouvez imaginer quel défi c'était.

"Après de nombreuses années de développement de logiciels, c'est tellement merveilleux de voir que cela a maintenant vraiment fonctionné", a déclaré Huub Röttgering, directeur scientifique de l'Observatoire de Leiden.

Les trous noirs par définition n'émettent pas de lumière, il est donc incroyable que cette carte nous permette de voir quelque chose qui nous est par essence invisible. En voir 25 000 en même temps est absolument extraordinaire.


Des astronomes surpris : des étoiles nées près du trou noir

Les trous noirs sont surtout connus pour déchirer les étoiles, mais de nouvelles observations du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée montrent qu'il aide réellement les étoiles à se former.

Jusqu'à présent, les scientifiques étaient en désaccord sur l'origine d'une collection d'étoiles massives orbitant à moins d'une année-lumière du trou noir central de notre galaxie, que les scientifiques appellent Sagittarius A*. Les étoiles ont été vues pour la première fois par des télescopes infrarouges.

La nouvelle découverte, basée sur les observations de l'observatoire à rayons X Chandra, confirme la théorie selon laquelle les trous noirs peuvent aider à former des étoiles massives et soutient davantage l'idée que les trous noirs jouent un rôle important dans la formation des galaxies.

"Dans l'un des endroits les plus inhospitaliers de notre galaxie, les étoiles ont prévalu", a déclaré le co-auteur de l'étude, Sergei Nayakshin de l'Université de Leicester. "Il semble que la formation d'étoiles soit beaucoup plus tenace qu'on ne le croyait auparavant."

Les astronomes doivent encore comprendre comment le processus fonctionne. Beaucoup s'attendaient à ce que le mouvement à grande vitesse de la matière près du trou noir empêche la formation d'étoiles.

Soit l'immense disque de gaz qui orbite autour du trou noir contribue à la création de nouvelles étoiles - ce que les scientifiques appellent le modèle de disque - ou il peut servir de pépinière à un amas d'étoiles perdues dans un processus appelé modèle de migration d'amas.

Dans le modèle de disque, la gravité à l'intérieur du disque dense de gaz qui entoure le Sagittaire A* compense le remorqueur gravitationnel du trou noir et permet aux étoiles de se former. Lorsque des jets de rayonnement à grande vitesse jaillissent du trou noir, ils envoient une onde de choc supersonique à travers le nuage de gaz, qui comprime et chauffe le gaz. L'onde de choc ionise également le gaz en enlevant certains de ses électrons.

Une fois le choc passé, le nuage se contracte et les ions se recombinent, créant un rayonnement et transportant de l'énergie hors du nuage. Le refroidissement provoque une contraction encore plus importante du nuage, et lorsqu'une boule de gaz devient suffisamment dense, elle peut s'effondrer pour former une étoile.

Dans ce modèle, de la nourriture pour le trou noir est volée pour créer des étoiles, contrecarrant les modèles de trou noir conventionnels selon lesquels le disque d'accrétion est le moteur qui alimente le trou noir.

"De plus, ces stars ont volé si efficacement qu'elles sont devenues inhabituellement lourdes", a déclaré Nayakshin lors d'une téléconférence aujourd'hui. "Une étoile moyenne ici est au moins 10 fois plus massive qu'une étoile moyenne ailleurs dans la galaxie."

Dans le modèle de migration, les étoiles se sont en fait formées dans un amas éloigné du trou noir et ont migré pour former un anneau autour de celui-ci. Ce scénario prédit qu'il devrait y avoir environ un million d'étoiles de faible masse accompagnant les étoiles massives.

"Le seul problème observé ici est que cet amas d'étoiles devrait être très lourd, environ un million de masses d'étoiles", a déclaré Nayakshin. "Ce que nous avons découvert là-bas, c'est que vous ne pouvez pas y cacher plus de 10 000 jeunes étoiles de faible masse au lieu d'un million, il est donc clair que le modèle d'amas est exclu. Nous sommes donc assez confiants que des étoiles se sont formées dans le disque."

S'installer sur le modèle de disque présente cependant son propre ensemble de problèmes. Dans la plupart des amas d'étoiles, les étoiles de faible masse représentent environ 90 pour cent de la masse de l'amas, avec des milliers de jeunes étoiles légères entourant quelques rares étoiles massives. Étant donné que l'amas autour du Sagittaire A* manque d'étoiles de faible masse, les scientifiques devront désormais repenser les théories de la formation des amas d'étoiles.


Les étoiles en orbite autour d'un trou noir supermassif montrent qu'Einstein avait encore raison

Vue d'artiste des orbites de trois des étoiles très proches du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Crédit : ESO/M. Parsa/L. Calçada

Au centre de notre galaxie, à environ 26 000 années-lumière de la Terre, se trouve le trou noir supermassif (SMBH) connu sous le nom de Sagittaire A*. Mesurant 44 millions de km de diamètre, cet objet est environ 4 millions de fois plus massif que notre Soleil et exerce une énorme attraction gravitationnelle. Étant donné que les astronomes ne peuvent pas détecter directement les trous noirs, son existence a été déterminée en grande partie par l'effet qu'il a sur le petit groupe d'étoiles en orbite.

À cet égard, les scientifiques ont découvert que l'observation du Sagittaire A* est un moyen efficace de tester la physique de la gravité. Par exemple, au cours de l'observation de ces étoiles, une équipe d'astronomes allemands et tchèques a noté des effets subtils causés par la gravité du trou noir. Ce faisant, ils ont pu encore une fois confirmer certaines des prédictions faites par la célèbre théorie de la relativité générale d'Einstein.

Leur étude, intitulée « Investigating the Relativistic Motion of the Stars Near the Supermassive Black Hole in the Galactic Center », a récemment été publiée dans le Journal d'astrophysique. Comme indiqué au cours de celle-ci, l'équipe a appliqué de nouvelles techniques d'analyse aux observations existantes effectuées par le très grand télescope (VLT) de l'Observatoire européen austral (ESO) et d'autres télescopes au cours des 20 dernières années.

À partir de là, ils ont mesuré les orbites des étoiles qui gravitent autour du Sagittaire A* pour tester les prédictions faites par la physique newtonienne classique (c'est-à-dire la gravitation universelle), ainsi que les prédictions basées sur la relativité générale. Ce qu'ils ont découvert, c'est que l'une des étoiles (S2) présentait des déviations dans son orbite qui défiaient la première, mais étaient cohérentes avec la seconde.

Cette étoile, qui a 15 fois la masse de notre Soleil, suit une orbite elliptique autour du SMBH, complétant une seule orbite en environ 15,6 ans. Au plus près, il arrive à moins de 17 heures-lumière du trou noir, ce qui équivaut à 120 fois la distance entre le Soleil et la Terre (120 UA). Essentiellement, l'équipe de recherche a noté que S2 avait l'orbite la plus elliptique de toutes les étoiles en orbite autour du trou noir supermassif.

Impression artistique d'une partie de l'orbite de S2 autour du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Crédit : ESO/M. Parsa/L. Calçada

Ils ont également noté un léger changement dans son orbite - quelques pour cent dans la forme et environ un sixième de degré dans l'orientation. Cela ne pourrait s'expliquer que par les effets relativistes provoqués par la gravité intense du Sagittaire A*, qui provoquent une précession sur son orbite. Cela signifie que la boucle elliptique de l'orbite de S2 tourne autour du SMBH au fil du temps, avec son point de périhélie dirigé dans différentes directions.

Chose intéressante, c'est similaire à l'effet qui a été observé sur l'orbite de Mercure – alias. la "précession périhélie de Mercure" - à la fin du 19ème siècle. Cette observation a remis en cause la mécanique newtonienne classique et a conduit les scientifiques à conclure que la théorie de la gravité de Newton était incomplète. C'est aussi ce qui a poussé Einstein à développer sa théorie de la relativité générale, qui offrait une explication satisfaisante du problème.

Si les résultats de leur étude se confirment, ce sera la première fois que les effets de la relativité générale seront calculés avec précision en utilisant les étoiles qui orbitent autour d'un trou noir supermassif. Marzieh Parsa – doctorante à l'Université de Cologne, en Allemagne et auteur principal de l'article – était naturellement enthousiasmée par ces résultats. Comme elle l'a déclaré dans un communiqué de presse de l'ESO :

"Le centre galactique est vraiment le meilleur laboratoire pour étudier le mouvement des étoiles dans un environnement relativiste. J'ai été étonné de voir à quel point nous pouvions appliquer les méthodes que nous avons développées avec des étoiles simulées aux données de haute précision pour les étoiles les plus internes à grande vitesse proches de le trou noir supermassif."

Cette étude a été rendue possible grâce à la haute précision des instruments du VLT notamment, l'optique adaptative sur la caméra NACO et le spectromètre proche infrarouge SINFONI. Ces instruments étaient essentiels pour suivre l'approche rapprochée de l'étoile et son retrait du trou noir, ce qui a permis à l'équipe de déterminer avec précision la forme de son orbite et ainsi de déterminer les effets relativistes sur l'étoile.

En plus des informations plus précises sur l'orbite de S2, l'analyse de l'équipe a également fourni de nouvelles estimations plus précises de la masse du Sagittaire A*, ainsi que de sa distance par rapport à la Terre. Cela pourrait ouvrir de nouvelles voies de recherche pour ce trou noir et d'autres trous noirs supermassifs, ainsi que des expériences supplémentaires qui pourraient aider les scientifiques à en apprendre davantage sur la physique de la gravité.

Les résultats ont également donné un aperçu des mesures et des tests qui auront lieu l'année prochaine. En 2018, la star S2 se rapprochera de très près du Sagittaire A*. Des scientifiques du monde entier profiteront de cette occasion pour tester l'instrument GRAVITY, un instrument de deuxième génération récemment installé sur le Very Large Telescope Interferometer (VLTI).

Développé par un consortium international dirigé par le Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, cet instrument effectue des observations du Centre Galactique depuis 2016. En 2018, il sera utilisé pour mesurer l'orbite de S2 avec encore plus de précision, ce qui devrait être le plus révélateur. A cette occasion, les astrophysiciens chercheront à faire des mesures supplémentaires des effets relativistes généraux du SMBH.

Au-delà, ils espèrent également détecter des déviations supplémentaires dans l'orbite de l'étoile qui pourraient laisser présager l'existence d'une nouvelle physique ! Avec les bons outils formés au bon endroit et au bon moment, les scientifiques pourraient bien découvrir que même les théories de la gravité d'Einstein n'étaient pas entièrement complètes. Mais en attendant, il semble que le regretté et grand physicien théoricien ait de nouveau raison.


Les trous noirs peuvent devenir supermassifs en mangeant des étoiles

Les trous noirs supermassifs censés se cacher au cœur de la plupart des galaxies ont atteint leur taille énorme en mangeant des étoiles, suggère une nouvelle étude.

Certaines théories soutiennent que ces trous noirs galactiques - qui semblent contenir des millions à des milliards de fois la masse de notre soleil - deviennent si lourds en consommant d'énormes quantités de gaz ou en fusionnant avec d'autres trous noirs, d'autres suggèrent que les objets sont simplement nés gros. Mais la nouvelle étude rapporte qu'ils deviennent probablement supermassifs principalement en déchirant les systèmes à double étoile et en dévorant l'une des étoiles.

"Je pense que cela doit être la méthode dominante pour la croissance de trous noirs supermassifs", a déclaré l'auteur principal Benjamin Bromley de l'Université de l'Utah dans un communiqué.

Les travaux de l'équipe font suite à la découverte en 2005 d'étoiles à hypervitesse, qui ont été projetées hors du centre de notre Voie lactée par des forces gravitationnelles et se déplacent à des vitesses de 2,4 millions de km/h ou plus - assez vite pour échapper à la galaxie et aller zoomer dans les profondeurs de l'espace.

On pense que les étoiles à hypervitesse proviennent de systèmes binaires qui errent trop près du trou noir central de la Voie lactée, qui semble peser jusqu'à 4,3 millions de soleils. Les forces de marée éjectent une étoile, selon la théorie, et capturent l'autre, qui finit par devenir de la nourriture pour le trou noir en pleine croissance. [Photos : trous noirs de l'univers]

Les chercheurs ont modélisé chaque étape de ce processus et leurs résultats ont identifié les étoiles comme la principale subsistance des monstres galactiques.

"Nous avons rassemblé les chiffres pour les étoiles à hypervitesse observées et d'autres preuves, et avons constaté que le taux de rencontres binaires [avec le trou noir supermassif de la Voie lactée] signifierait que la majeure partie de la masse du trou noir de la galaxie provenait d'étoiles binaires", a déclaré Bromley. . "Nous avons estimé ces interactions pour les trous noirs supermassifs dans d'autres galaxies et avons constaté qu'eux aussi peuvent atteindre des milliards de masses solaires de cette manière."

Selon les chercheurs, jusqu'à la moitié de toutes les étoiles sont en paires binaires, elles sont donc abondantes dans la Voie lactée et d'autres galaxies.

Les résultats ont en outre indiqué que le trou noir supermassif de notre galaxie a probablement doublé pour quadrupler en masse au cours des 5 à 10 derniers milliards d'années en mangeant des étoiles.

"Lorsque nous examinons les observations sur la façon dont les étoiles s'accumulent dans notre centre galactique, il est clair qu'une grande partie de la masse du trou noir provenait probablement d'étoiles binaires qui ont été déchirées", a déclaré Bromley.

Les scientifiques ont publié leurs résultats en ligne lundi 2 avril dans The Astrophysical Journal Letters.


L'orbite de la rosette de l'étoile autour du trou noir supermassif "donne raison à Einstein"

L'étoile S2 est en orbite autour du trou noir supermassif de la Voie lactée en forme de rosette, qui est soutenu par la théorie de la relativité générale d'Einstein.

Publié: 16 avril 2020 à 11:32

Une étoile en orbite autour d'un trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée se déplace d'une manière qui a été prédite par le physicien Albert Einstein il y a plus d'un siècle, ont découvert les astronomes.

L'orbite de l'étoile, appelée S2, a la forme d'une rosette, qui est soutenue par la théorie de la relativité générale d'Einstein.

S2 est en orbite autour du trou noir supermassif Sagittarius A*, situé à 26 000 années-lumière du Soleil, une fois tous les 16 ans.

Les résultats, publiés dans la revue Astronomie et astrophysique, sont le résultat de 27 années d'observations de l'étoile à l'aide d'une gamme d'instruments, dont le très grand télescope de l'Observatoire spatial européen, situé dans le désert d'Atacama au Chili.

Reinhard Genzel, directeur de l'Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE) en Allemagne et architecte du programme, a déclaré que la première preuve de la relativité générale avait été observée dans l'orbite de Mercure autour du Soleil.

Il a ajouté : « Cent ans plus tard, nous avons maintenant détecté le même effet dans le mouvement d'une étoile en orbite autour de la source radio compacte Sagittarius A* au centre de la Voie lactée.

Lisez plus d'histoires sur les trous noirs :

"Cette percée observationnelle renforce la preuve que le Sagittaire A * doit être un trou noir supermassif de quatre millions de fois la masse du Soleil."

Au plus près, S2 est à moins de 20 milliards de kilomètres du Sagittaire A*, soit environ 120 fois la distance entre la Terre et le Soleil. Cela fait de S2 l'une des étoiles les plus proches jamais trouvées en orbite autour de l'énorme géante.

En orbite autour du Sagittaire A*, l'étoile suit une ellipse mais le point d'approche le plus proche du trou noir ne se situe pas toujours au même endroit.

Au lieu de cela, il se déplace lentement autour de l'objet supermassif, créant une forme de rosette. Cette rotation de l'orbite s'appelle une précession.

La relativité générale fournit une prédiction précise de combien cette orbite change et, selon les scientifiques, les mesures de leurs recherches actuelles correspondent exactement à la théorie.

Ce phénomène, connu sous le nom de précession de Schwarzschild, n'avait jamais été mesuré auparavant pour une étoile en orbite autour d'un trou noir supermassif.

Les chercheurs pensent que leurs découvertes pourraient aider à percer les mystères des trous noirs supermassifs.

Guy Perrin et Karine Perraut, les scientifiques français principaux du projet, ont déclaré : « Parce que les mesures S2 suivent si bien la relativité générale, nous pouvons fixer des limites strictes sur la quantité de matière invisible, telle que la matière noire distribuée ou d'éventuels trous noirs plus petits. présent autour du Sagittaire A*.

"C'est d'un grand intérêt pour comprendre la formation et l'évolution des trous noirs supermassifs."

Questions et réponses des lecteurs : les trous noirs s'effondrent-ils ?

Question de : Patricia Rodrigues, King's Lynn
Le rayon de Schwarzschild (horizon des événements) d'un trou noir est parfois considéré comme la « taille » du trou noir. Il est proportionnel à la masse, ce qui signifie que les trous noirs plus massifs ont des rayons de Schwarzschild plus grands.

Laissés seuls, les trous noirs perdent de la masse en raison du « rayonnement Hawking », de sorte que leurs horizons d'événements se rétrécissent lentement. Un trou noir typique prendrait plusieurs milliards de fois l'âge de l'Univers pour « s'évaporer » complètement et disparaître.

Mais, l'intérieur du trou noir, ou sa "singularité" (le point où toute la matière du trou noir est concentrée) a déjà atteint la limite de sa densité et ne peut plus "s'effondrer".


Une étoile dansant autour du trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée confirme qu'Einstein avait encore raison

Sagittarius A*, le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée, est entouré d'étoiles en orbite grâce à son attraction gravitationnelle gigantesque. Pendant des décennies, les astronomes ont observé une étoile spécifique dans cette région, et de nouvelles recherches prouvent une fois de plus qu'Albert Einstein savait une chose ou deux sur la gravité.

Dans une étude publiée jeudi dans la revue Astronomy & Astrophysics, des chercheurs ont révélé pour la première fois qu'une étoile "dansant" autour du Sagittaire A* se déplace exactement comme Einstein l'avait prédit avec sa théorie de la relativité générale. L'équipe de scientifiques a étudié l'étoile pendant 27 ans à l'aide du très grand télescope de l'Observatoire européen austral dans le désert d'Atacama au Chili, dans l'espoir de percer les mystères du trou noir gargantuesque au cœur de notre galaxie.

La théorie de la gravité d'Isaac Newton prédisait qu'une étoile orbiterait autour du trou noir de manière elliptique, mais les chercheurs ont découvert que l'orbite de S2 avait en fait la forme d'une rosette autour du trou noir, situé à 26 000 années-lumière du soleil.

"La relativité générale d'Einstein prédit que les orbites liées d'un objet autour d'un autre ne sont pas fermées, comme dans la gravité newtonienne, mais précessent vers l'avant dans le plan de mouvement. première preuve en faveur de la relativité générale », a déclaré le co-auteur Reinhard Genzel dans un communiqué de presse.

Des observations faites avec le Very Large Telescope (VLT) de l'ESO ont révélé pour la première fois qu'une étoile en orbite autour du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée se déplace exactement comme le prédit la théorie de la relativité générale d'Einstein. Cette impression d'artiste illustre la précession de l'orbite de l'étoile, avec l'effet exagéré pour une visualisation plus facile. ESO/L. Calçada

"Cent ans plus tard, nous avons maintenant détecté le même effet dans le mouvement d'une étoile en orbite autour de la source radio compacte Sagittarius A* au centre de la Voie lactée", a-t-il poursuivi. "Cette percée observationnelle renforce la preuve que le Sagittaire A * doit être un trou noir supermassif de 4 millions de fois la masse du Soleil."

À son plus proche, S2 est à moins de 20 milliards de kilomètres (environ 12,5 milliards de miles) du Sagittaire A* &mdash une distance qui est 120 fois la distance entre le soleil et la Terre &mdash ce qui en fait l'une des étoiles les plus proches jamais observées en orbite autour du trou noir . Les chercheurs ont dû étudier l'étoile pendant des décennies, car elle ne fait qu'une orbite tous les 16 ans.

Espace et astronomie

Le mouvement en constante évolution de S2 correspond exactement à celui prédit par la théorie d'Einstein. L'effet de rosette, connu sous le nom de précession de Schwarzschild, n'avait jamais été mesuré auparavant pour une étoile autour d'un trou noir supermassif, ont déclaré les scientifiques.

Cette simulation montre les orbites des étoiles très proches du trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée. L'une de ces étoiles, nommée S2, orbite tous les 16 ans et passe très près du trou noir en mai 2018. C'est un laboratoire parfait pour tester la physique gravitationnelle et plus particulièrement la théorie de la relativité générale d'Einstein. ESO/L. Calçada/spaceengine.org

Non seulement la recherche confirme davantage la théorie d'Einstein, mais elle fournit également des informations cruciales sur la zone entourant le Sagittaire A *.

"Parce que les mesures S2 suivent si bien la relativité générale, nous pouvons fixer des limites strictes sur la quantité de matière invisible, telle que la matière noire distribuée ou d'éventuels trous noirs plus petits, est présente autour du Sagittaire A*. Ceci est d'un grand intérêt pour comprendre la formation et l'évolution des trous noirs supermassifs », ont déclaré les scientifiques principaux Guy Perrin et Karine Perraut.

À l'aide du nouveau télescope de l'ESO, l'équipe de scientifiques espère trouver des étoiles en orbite encore plus près du trou noir supermassif.

"Si nous avons de la chance, nous pourrions capturer des étoiles suffisamment près pour qu'elles ressentent réellement la rotation, la rotation du trou noir", a déclaré le co-auteur Andreas Eckart de l'Université de Cologne.

S'ils trouvent des étoiles plus proches, les astronomes pourraient mesurer à la fois le spin et la masse, définissant l'espace et le temps autour du Sagittaire A*. "Ce serait encore une fois un niveau complètement différent de test de relativité", a déclaré Eckart

Première publication le 16 avril 2020 / 13:12

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Sophie Lewis est productrice de médias sociaux et rédactrice de tendances pour CBS News, se concentrant sur l'espace et le changement climatique.


"Jusqu'à des milliers d'années" de circuits d'étoiles en orbite autour de trous noirs supermassifs

Au centre de la galaxie, des millions d'étoiles tourbillonnent en orbite autour d'un trou noir supermassif qui peut prendre de quelques heures pour les étoiles proches de l'horizon des événements du trou noir à des milliers d'années pour leurs voisins éloignés, selon un nouveau étude qui comprenait des scientifiques de l'Institute for Advanced Study. La nature de la danse – la façon dont les étoiles interagissent collectivement grâce à leurs forces gravitationnelles – peut varier d'une galaxie à l'autre.

"Ces systèmes présentent un comportement étonnamment riche, avec des parallèles remarquables avec des phénomènes de laboratoire bien étudiés tels que la congélation et le ferromagnétisme", a déclaré Scott Tremaine, professeur Richard Black à l'Institute for Advanced Study, l'un des trois auteurs de l'article. “Ces nouveaux phénomènes peuvent considérablement changer notre compréhension de l'environnement des trous noirs supermassifs et améliorer notre capacité à comprendre les taux et les propriétés des fusions de trous noirs supermassifs, la consommation d'étoiles par les trous noirs et d'autres phénomènes au centre des galaxies.& #8221

Dans l'article intitulé "Transition de phase d'ordre-désordre dans les amas d'étoiles à trou noir", publié dans Physical Review Letters le 12 juillet 2019, des scientifiques de l'Institute for Advanced Study, de l'Université américaine de Beyrouth et de l'Université de Leiden ont pris les premiers pas vers la compréhension des schémas orbitaux collectifs qui émergent dans les amas d'étoiles entourant un trou noir supermassif. En étudiant ces amas d'étoiles et leur évolution, les chercheurs obtiennent de nouvelles informations sur le comportement des trous noirs supermassifs et leur influence sur leur environnement stellaire.

Sur la base d'une série de modèles numériques et de simulations, l'équipe a montré que les amas d'étoiles de trous noirs peuvent subir une transition de phase d'un état sphérique à un état déséquilibré lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une température dynamique critique. Cette transition de phase, à certains égards, est similaire à la transition de phase qui se produit lorsqu'un liquide se transforme en solide. Tout comme les molécules peuvent passer d'un état liquide désordonné à un état où elles sont gelées, ces amas d'étoiles sont capables d'atteindre l'équilibre dans une structure désordonnée (sphérique) ou ordonnée (déséquilibrée), en fonction de leurs propriétés et de leur environnement.

Transition de phase simulée du système de trou noir de l'état sphérique à l'état déséquilibré. Crédit : J. R. Touma, S. Tremaine et M. V. Kazandjian

Un amas d'étoiles nucléaires déséquilibré entourant un trou noir supermassif est visible sur les images du télescope spatial Hubble de la galaxie d'Andromède à proximité. D'autre part, notre galaxie d'origine de la Voie lactée et M87, récemment imagés par le télescope Event Horizon, abritent des amas sphériques. For more distant galaxies, the nuclear star clusters are too small to be imaged by existing telescopes, but the cluster shapes may strongly influence transient events that we can observe, such as flares from tidally disrupted stars and gravitational wave signals from stars spiraling into the black hole.

“The present work is, in more ways than one, the culmination of our program of research on the thermal properties of black hole star clusters. It lays the groundwork for studying their collective response to evolutionary and environmental perturbations,” stated Jihad Touma, another of the paper’s authors. “We believe that the model systems which we have identified and analyzed are realistic and versatile enough to play for gravity the role that the Ising model played and continues to play for magnetism.”

Further investigation of how nuclear star clusters form and evolve will be needed to determine how frequently phase transitions of this kind occur in nature. However, the presence of a lopsided cluster in Andromeda, our galaxy’s nearest large neighbor galaxy, suggests that this is a common process in the universe.

The research team consists of Jihad Touma of American University of Beirut and a former IAS Member and Visitor (2007–09 2013–14 2017) in the School of Natural Sciences Scott Tremaine of the Institute for Advanced Study and Mher Kazandjian of Leiden University.

A link to the paper detailing the team’s methods is available here. The team acknowledges the use of IAS computing facilities for performing computations essential to their work.

The Daily Galaxy, Max Goldberg, via Institute for Advanced Study, Princeton, NJ


What is a black hole? The universe's dark, mysterious monsters

According to The Astronomer's Telegram, one of the newly-discovered stars, S4711, orbits the Milky Way's black hole once every 7.6 years, claiming the record for the shortest orbital period. Peissker calls it "the most spectacular star" of the research find but explains its still an open question as to how the stars developed a stable orbit under "extreme conditions."

"A possible explanation would be the Hills mechanism where a binary system gets disturbed by the presence of an SMBH," he says. In this theory, the Milky Way's supermassive black hole disturbs a pair of stars, jettisoning one into space and capturing another in a tight orbit -- like that seen in S4711.

"We still are in the process of understanding how black hole feeding and the formation of stars close to a supermassive black hole works," says Peissker.

S4711 is extreme, but then there's star S4714, which faces even more extreme conditions. It doesn't quite get as close to Sgr A* as S4711 but it's travelling around the black hole at 8% the speed of light. At that speed, the star is moving about 15,000 miles (

24,000 kilometers) every second, which would mean it could make one full lap of the Earth in just over 1.5 seconds. It also means it overtakes S5-HVS1, which was spat out by Sgr A* and found last year travelling at almost 1,100 miles per second.

The highly-eccentric orbits of the S-stars aren't just cosmic curiosities either the stars help to establish further evidence for Einstein's general theory of relativity. The theory predicts how space, time and gravity interact and suggests huge, dense objects like black holes can warp space around them. Studying the S-stars, astronomers can see some of the motion predicted by Einstein's theory. A team from the Max Planck Institute recently did so, when they studied the star S2 earlier this year and found it adhered strictly to Einstein's theory.

The team believe improved data analysis could yield even further insight into the space around Sgr A* and they expect more stars on extremely tight orbits to be discovered in "the near future." The Extremely Large Telescope, which is expected to become operational in 2025, will gather 13 times more light than any optical telescope operational today and should help locate a few more. Until then, S4714 gets to be the fastest and most furious star we know of at our galaxy's center.