Astronomie

Comment un trou noir accréteur acquiert-il des champs magnétiques ?

Comment un trou noir accréteur acquiert-il des champs magnétiques ?

Il y a en fait une question similaire sur ce site : le magnétisme peut-il échapper à un trou noir ?, cependant les réponses ne se concentrent pas sur l'accrétion, qui est ma principale préoccupation, alors j'en commence une nouvelle.

Dans le livre de Kip Thorne Trous noirs et distorsions temporelles : l'héritage scandaleux d'Einstein, il y a un paragraphe au chapitre 9, décrivant comment le trou noir central d'un quasar (ou radiogalaxie) acquiert un champ magnétique par accrétion :

D'où viennent ces lignes de champ magnétique ? Du disque lui-même. Tout le gaz de l'Univers est magnétisé, au moins un peu, et le gaz du disque [d'accrétion] ne fait pas exception. Au fur et à mesure que le gaz du disque s'accumule dans le trou, il entraîne avec lui ses lignes de champ magnétique. À l'approche du trou, chaque morceau de gaz glisse le long de ses lignes de champ magnétique et à travers l'horizon, laissant les lignes de champ derrière, dépassant de l'horizon et l'enfilant [… ]. Ces lignes de champ de filetage, solidement confinées par le disque environnant, devraient alors extraire l'énergie de rotation du trou par le procédé de Blandford-Znajek.

Malheureusement, cette description ne me semble pas claire (bien que Thorne soit généralement excellent pour expliquer les choses tout au long du livre). Pour être précis, je ne peux pas obtenir une image du gaz "glissant vers le bas" de ses lignes de champ magnétique à travers l'horizon des événements, tout en faisant en sorte que le champ magnétique "dépasse" de l'horizon en même temps. Et ici, Thorne n'a pas semblé indiquer de documents de recherche originaux pour une étude plus approfondie.

Alors mes questions sont :

(1) Les astronomes d'aujourd'hui croient-ils toujours que l'accrétion du disque est le principal processus par lequel les trous noirs supermassifs acquièrent un champ magnétique ?

(2) Si la réponse à (1) est « oui », alors comment puis-je construire l'image (s'il existe une telle image) que Thorne essaie de transmettre dans son paragraphe ?

(3) Existe-t-il un document de recherche qui aborde ce problème de manière assez détaillée ?

Toute aide est appréciée !


Adressage (2) et (3) en premier :

Dans un cas comme celui-ci, votre meilleure option est d'aller directement à la source. Dans ce cas, il s'agirait de Blandford & Znajek (1977), les initiateurs du mécanisme proposé. ils ont plusieurs chiffres concernant différentes structures magnétosphériques en fonction de différents champs magnétiques. Cependant, la plus importante est la figure 1, le cas général :

$D$ représente le disque d'accrétion, tandis que $T$ est la zone de transition où la matière se déplace rapidement radialement vers le trou noir. Les lignes représentent des lignes de champ magnétique, le long desquelles des particules chargées. Électrons (e-) se déplacer dans le sens des flèches moyennes sur chaque ligne de champ ; positons (e+) voyager dans l'autre sens. Les lignes de champ sont plus rapprochées dans la zone du disque plus proche du trou noir, indiquant le champ magnétique le plus fort.

Si vous voulez un bon aperçu du processus, c'est le document à consulter. Cela dit, c'est loin d'être facile à lire.

Concernant (1), je ne suis pas astronome et pas vraiment qualifié pour vous dire quelle est l'opinion dominante parmi les astronomes. Cependant, pour autant que je sache, le processus de Blandford-Znajek est actuellement accepté comme une forte possibilité de générer les champs magnétiques observés près de la plupart des trous noirs (y compris les trous noirs de masse stellaire).


Jets de trous noirs, comment fonctionnent-ils ? Aimants !

Au centre de certaines galaxies massives, des trous noirs supermassifs alimentent des objets incroyablement brillants appelés quasars. Les trous noirs engloutissent la matière si rapidement que la matière qui tombe s'échauffe à cause de la friction et émet de la lumière. Alors que ce disque de matière en accrétion est incroyablement brillant en lui-même, le trou noir a une autre source de lumière : des jets jaillissent des pôles du trou noir, projetant des particules à des vitesses approchant celle de la lumière. Ces jets sont incroyablement brillants, peut-être plus brillants que le disque d'accrétion.

On ne sait pas avec certitude ce qui cause les jets. On pense que le spin et la masse du trou noir interagissent avec le champ magnétique près du trou noir pour accélérer les particules. Bien que certaines preuves soutiennent ce modèle, il a été difficile à tester, principalement parce que les scientifiques ne connaissaient pas parfaitement la luminosité des disques d'accrétion. Mais une nouvelle étude d'un échantillon de blazars (quasars avec des jets pointant vers la Terre) montre une corrélation claire entre la puissance des jets et la luminosité du disque d'accrétion. Cela suggère que le champ magnétique est un facteur dans la production des jets.

Les chercheurs ont examiné 217 blazars à l'aide de données obtenues par l'observatoire de Fermi, à la recherche d'une relation entre la puissance des jets et le disque d'accrétion. Les blazars sont utiles car avec un blazar, nous obtenons de la lumière directe à la fois du disque d'accrétion et du jet, puisque ce dernier est dirigé vers nous. Et nous pouvons dire lequel est lequel, car la lumière du jet est principalement sous forme de rayons gamma, tandis que le disque d'accrétion produit un spectre d'émission plus large.

Il s'avère que lorsque la luminosité des jets est représentée graphiquement par rapport à la luminosité du disque, il existe une relation claire et droite, le jet ayant plus de puissance que la luminosité du disque.

Ceci est cohérent avec les prédictions théoriques. La luminosité du disque est contrôlée par la vitesse à laquelle le trou noir consomme le matériau du disque - plus il y a de matière, plus elle tombe rapidement, plus elle devient chaude et plus elle produit de lumière. Étant donné que le disque a également un champ magnétique qui s'adapte à la quantité de matière présente, une quantité accrue de matière dans le disque augmente la puissance du jet - le disque d'accrétion a vraiment une influence magnétique sur les jets.

Les résultats suggèrent également que les jets sont incroyablement efficaces. "Le processus qui lance et accélère les jets doit être extrêmement efficace", écrivent les auteurs dans leur article. "Et pourrait être le moyen le plus efficace de transporter l'énergie du voisinage du trou noir à l'infini."

Bien sûr, cette étude couvre un type très spécifique de quasar, laissant de nombreux travaux futurs nécessaires pour comprendre le mécanisme complet derrière les jets.

"Notre échantillon source est constitué par la construction de sources lumineuses de rayons [gamma] qui ont vraisemblablement les jets les plus puissants, et donc les trous qui tournent le plus rapidement", écrivent-ils. "Il sera intéressant d'explorer des sources de jets moins lumineuses, de mieux comprendre la dépendance possible de la puissance du jet sur le spin du trou noir et l'existence possible d'une valeur de spin minimale pour que le jet existe."

Ceci, à son tour, pourrait éclairer, pour ainsi dire, pourquoi les jets se forment en premier lieu.


Des champs magnétiques étonnamment puissants peuvent correspondre à l'attraction des trous noirs : les champs magnétiques longtemps négligés ont une présence inattendue

Une nouvelle étude des trous noirs supermassifs au centre des galaxies a révélé que les champs magnétiques jouent un rôle impressionnant dans la dynamique des systèmes. En fait, dans des dizaines de trous noirs étudiés, la force du champ magnétique correspondait à la force produite par la puissante attraction gravitationnelle des trous noirs, selon une équipe de scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'Institut Max Planck du département américain de l'Énergie. pour la radioastronomie (MPIfR) à Bonn, en Allemagne. Les résultats sont publiés dans le numéro de cette semaine de Nature.

"Cet article mesure pour la première fois systématiquement la force des champs magnétiques à proximité des trous noirs", explique Alexander Tchekhovskoy, le chercheur du Berkeley Lab qui a aidé à interpréter les données d'observation dans le contexte des modèles informatiques existants. "C'est important parce que nous n'en avions aucune idée, et maintenant nous avons des preuves non pas d'un, pas seulement de deux, mais de 76 trous noirs."

Auparavant, Tchekhovskoy, qui est également chercheur postdoctoral à l'Université de Californie à Berkeley, avait développé des modèles informatiques de trous noirs qui incluaient des champs magnétiques. Ses modèles suggéraient qu'un trou noir pouvait soutenir un champ magnétique aussi fort que sa gravité, mais il n'y avait pas encore de preuves d'observation pour étayer cette prédiction. Avec les deux forces s'équilibrant, un nuage de gaz capturé au-dessus du champ magnétique serait épargné par l'attraction de la gravité et léviterait à la place.

L'intensité du champ magnétique a été confirmée par des preuves provenant de jets de gaz qui s'éloignent des trous noirs supermassifs. Formés par des champs magnétiques, ces jets produisent une émission radio. "Nous avons réalisé que l'émission radio des jets des trous noirs peut être utilisée pour mesurer l'intensité du champ magnétique près de la cale noire elle-même", explique Mohammad Zamaninasab, l'auteur principal de l'étude, qui a effectué le travail au MPIfR.

D'autres équipes de recherche avaient précédemment collecté des données d'émission radio de galaxies "radio-fortes" en utilisant le Very Long Baseline Array, un vaste réseau de radiotélescopes aux États-Unis. Les chercheurs ont analysé ces données préexistantes pour créer des cartes d'émission radio à différentes longueurs d'onde. Les décalages dans les caractéristiques des jets entre les différentes cartes leur permettent de calculer l'intensité du champ près du trou noir.

Sur la base des résultats, l'équipe a découvert non seulement que les champs magnétiques mesurés peuvent être aussi forts que la gravité d'un trou noir, mais qu'ils sont également comparables en force à ceux produits à l'intérieur des appareils d'IRM trouvés dans les hôpitaux - environ 10 000 fois plus grands que le champ de la Terre elle-même.

Tchekhovskoy dit que les nouveaux résultats signifient que les théoriciens doivent réévaluer leur compréhension du comportement des trous noirs. "Les champs magnétiques sont suffisamment puissants pour modifier considérablement la façon dont le gaz tombe dans les trous noirs et la façon dont le gaz produit des écoulements que nous observons, beaucoup plus forts que ce qui a généralement été supposé", dit-il. "Nous devons revenir en arrière et revoir nos modèles."


Champs magnétiques dans de puissants jets radio provenant de trous noirs supermassifs

Jets de rayons X de la galaxie Pictoris A. L'image en niveaux de gris a été prise par le Chandra X-ray Observatory et révèle la structure détaillée des rayons X des jets, qui s'étendent sur près d'un million d'années-lumière. Les contours rouges montrent l'émission radio. Les astronomes analysant ces données et d'autres ont conclu que l'émission de rayons X est produite par des particules chargées se déplaçant rapidement dans des champs magnétiques. Crédit image : NASA/Chandra, Hardcastle et al. Les trous noirs supermassifs au centre des galaxies peuvent engendrer d'énormes jets bipolaires lorsque la matière à proximité forme un disque chaud qui s'accréte autour du trou noir. Les particules chargées se déplaçant rapidement dans les jets rayonnent lorsqu'elles sont déviées par des champs magnétiques. Ces jets ont été découverts à des longueurs d'onde radio il y a plusieurs décennies. Dans les cas les plus dramatiques, les particules énergétiques se déplacent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière et s'étendent sur des centaines de milliers d'années-lumière, bien au-delà des limites visibles de la galaxie. Les processus physiques qui entraînent ces jets et les font rayonner sont parmi les problèmes les plus importants de l'astrophysique moderne.

L'une des découvertes les plus importantes et les plus inattendues de l'observatoire de rayons X Chandra était que des rayons X brillants sont également émis par ces jets. Les rayons X sont également produits par l'accélération de particules chargées, du moins selon certains modèles, mais il existe également d'autres mécanismes possibles. Les particules en mouvement rapide peuvent diffuser la lumière de fond, la faisant passer dans la bande des rayons X. Alternativement, les chocs peuvent générer une émission de rayons X (ou au moins une partie importante de celle-ci), soit lorsque les jets interagissent avec les vents stellaires et le milieu interstellaire, soit, dans le jet, en raison de la variabilité, de l'instabilité, de la turbulence ou d'autres phénomènes.

L'astronome du CfA Aneta Siemiginowska et ses collègues ont étudié la brillante galaxie radio-jet Pictoris A, située à près de 500 millions d'années-lumière, en utilisant des mesures Chandra très profondes et les observations ont utilisé un total cumulé de plus de quatre jours, répartis sur quatorze ans période. Ces données ont permis la première analyse détaillée du caractère spectral de l'émission tout au long des jets.

L'émission s'avère partout remarquablement uniforme, ce qui est extrêmement improbable si la diffusion était responsable, mais qui est une conséquence naturelle du processus du champ magnétique. Les scientifiques rejettent donc le modèle de diffusion au profit de ce dernier. Cependant, les jets contiennent de nombreux petits amas, structures internes et lobes. Les chocs et/ou la diffusion sont des explications possibles de l'émission dans certaines de ces structures.

Bien que ces nouveaux résultats représentent des améliorations spectaculaires dans notre compréhension de Pictoris A, des mesures radio à haute résolution d'un large échantillon de jets similaires sont maintenant nécessaires pour affiner et étendre les modèles. Des jets de rayons X à grande échelle, par exemple, ont également été détectés dans des quasars très éloignés. Les résultats de Pictoris A, ainsi que les futures observations de Chandra, aideront les astronomes à déterminer dans quelle mesure ces jets distants reposent également sur les mêmes processus, ou s'ils en invoquent d'autres.


Question rapide. Si les photons médiatisent les forces électromagnétiques et que tous les photons sont piégés à l'intérieur d'un BH, comment le champ magnétique est-il généré par le trou noir lui-même ?

Les observateurs ne voient jamais la matière tomber au-dessus de l'EH, alors la charge nette de la matière d'accrétion génère-t-elle le champ permanent ?

Si la conjecture "pas de cheveux" est correcte, alors un BH ne peut pas avoir un champ magnétique intrinsèque significatif, car son champ magnétique est déterminé uniquement par son moment angulaire et sa charge globale (qui devrait être très faible, sinon il se neutraliserait en sélectivement attirant des particules de charge opposée). Le champ est effectivement créé lorsque le trou noir s'effondre et continue d'exister par la suite.

En revanche, une étoile à neutrons ou similaire peut avoir un champ magnétique de plusieurs ordres de grandeur plus grand, effectivement créé par des courants circulants et des moments magnétiques intrinsèques dans la matière neutre, mais aucun de ces courants ne peut circuler dans un trou noir.

Il existe des théories selon lesquelles si une étoile à neutrons s'effondre en un trou noir, les restes "fossilisés" du champ magnétique précédent pourraient rester piégés près de l'horizon des événements. Cela pourrait fournir une explication pour des observations qui suggèrent apparemment un fort moment magnétique intrinsèque dans le corps central d'un quasar, en particulier Q0957+561. Une variante de cette idée est la théorie controversée "MECO" (Magnetospheric Eternally Collapsing Object), qui suggère que l'objet ne s'effondre pas réellement à cause de la pression de radiation, il n'est donc pas soumis à la règle "pas de cheveux".

Bienvenue sur les forums de physique Holesarecool --- et excellente première question !

Vous avez déjà obtenu quelques bonnes réponses, mais je voulais ajouter quelque chose :

À des fins astrophysiques (c'est-à-dire de vrais trous noirs), leurs champs magnétiques « intrinsèques » (ceux qui restent « gelés » après leur effondrement) sont entièrement négligeables. Les champs magnétiques (parfois) importants qui semblent actuellement caractériser les systèmes sont entièrement dus au matériau autour du trou noir, à savoir le plasma gazeux accréteur. Lorsque le trou noir accumule du matériau, le matériau peut « faire glisser » le champ magnétique interstellaire normal vers l'horizon avec lui. De plus, s'il y a un disque d'accrétion, nous pensons qu'il peut y avoir des processus qui peuvent générer et amplifier les champs de manière significative.

C'est en fait assez étonnant à quel point nous en savons peu sur les jets. Nous ne savons même pas s'ils sont dominés par le « Poynting » (c'est-à-dire le champ magnétique) ou le « Baryon » (c'est-à-dire le plasma électron-proton ou électron-positon). Dans les deux cas, vous avez besoin de beaucoup de champ magnétique. La recombinaison des lignes de champ pourrait aider à entraîner des écoulements généraux, ou peut-être des jets transitoires semblables à des gouttes, mais peu probable (je pense) pour des jets stables. D'après ce que je comprends, le meilleur scénario de recombinaison est que les lignes de champ sont complètement tordues par un trou noir Kerr à spin élevé, et se déroulent en quelque sorte avec une décharge violente.

L'une des autres idées principales est d'améliorer le champ magnétique poloïdal par le biais de processus dynamo dans le disque d'accrétion. Le fort champ poloïdal, combiné au flux d'accrétion et à l'enroulement de la rotation, pourrait suffire à collimater un jet puissant.

Savons-nous s'il y a une sorte de périodicité des jets ? Un processus dynamo dans la distribution de charge radiale des jets en raison de la charge et du spin du BH pourrait conduire à des processus de recombinaison des deux côtés du trou noir.

Ou est-il plus probable que le champ du trou noir soit plus directement responsable ?

C'est un article très bon et intéressant, mais je ne pense pas qu'il soit pertinent pour les trous noirs.

Une chose que cet article et d'autres articles sur la matière noire/l'énergie noire font est de configurer la physique de sorte que vous obteniez exactement la même physique à de courtes distances. C'est intentionnel. Si la physique était la même à courte distance (c'est-à-dire rien de moins que le système solaire), nous aurions vu quelque chose de bizarre. Cet article crée un champ EM qui est différent dans son ensemble (c'est-à-dire les distances galactiques), mais qui est le même qu'un EM ordinaire à des distances ordinaires.

L'autre chose est que cet article (comme la plupart des autres articles) suppose que rien d'étrange ne se passe avec l'univers primitif. Une chose importante à propos de l'énergie noire est qu'il ne s'agit pas d'un effet "big bang". Le big bang a l'air bien sans énergie noire. Vous ne voyez l'énergie noire que dans le dernier milliard d'années. Donc, une chose que vous devez expliquer avec les théories de l'énergie noire est pourquoi elles *n'apparaissent pas* dans le big bang.

1) contrairement à beaucoup d'articles théoriciens, ils pensent au moins à l'observation. Ma première réaction à la lecture d'un article de théoricien étrange est de savoir comment cela affecte les observations du CMB, et ils les mentionnent.
2) c'est d'origine. J'ai vu des dizaines d'articles qui essaient d'expliquer l'énergie noire avec la "gravité étrange", mais c'est le premier article que j'ai vu essayer de l'expliquer avec la "EM étrange".

Quelque chose qui rend les disques d'accrétion et les objets effondrés plus intéressants pour moi, c'est que vous ne pouvez pas inventer tout ce que vous voulez. Dans l'univers primitif, vous pouvez facilement inventer un nouveau champ ou une nouvelle particule pour expliquer les choses, avec des disques d'accrétion que vous ne pouvez pas.

Une autre chose qui surprend les gens est que les disques d'accrétion sont un peu plus compliqués que les trous noirs. Les trous noirs simples sont des objets assez simples. Quelle est la couleur d'un trou noir ? C'est noir. Que se passe-t-il quand je jette quelque chose dans un trou noir ? Il est aspiré et ne ressort pas. Qu'y a-t-il à l'intérieur d'un trou noir ? Et bien, comme je ne vois jamais l'intérieur, ça n'a pas d'importance, alors je dis juste que c'est des bonbons. Cette réponse est aussi bonne qu'une autre.

Quelle est la couleur du disque d'accrétion ? Euhhh. Que se passe-t-il lorsque je jette quelque chose dans un disque d'accrétion ? Errrrrr. Qu'y a-t-il à l'intérieur d'un disque d'accrétion ? Ehhhhh.


Le magnétisme des trous noirs étonnamment faible

Une illustration d'un trou noir. Crédit : Michael McAleer/UF News

Les trous noirs sont célèbres pour leur muscle : une attraction gravitationnelle intense connue pour engloutir des étoiles entières et lancer des flux de matière dans l'espace à presque la vitesse de la lumière.

Il s'avère que la réalité n'est peut-être pas à la hauteur du battage médiatique.

Dans un article publié aujourd'hui dans la revue La science, des scientifiques de l'Université de Floride ont découvert que ces déchirures dans le tissu de l'univers ont des champs magnétiques nettement plus faibles qu'on ne le pensait auparavant.

Un trou noir de 40 milles de large à 8 000 années-lumière de la Terre nommé V404 Cygni a donné les premières mesures précises du champ magnétique qui entoure les puits de gravité les plus profonds de l'univers. Les auteurs de l'étude ont découvert que l'énergie magnétique autour du trou noir est environ 400 fois inférieure aux estimations brutes précédentes.

Les mesures rapprochent les scientifiques de la compréhension du fonctionnement du magnétisme des trous noirs, approfondissant notre connaissance du comportement de la matière dans les conditions les plus extrêmes, connaissances qui pourraient élargir les limites de la puissance de fusion nucléaire et des systèmes GPS.

Les mesures aideront également les scientifiques à résoudre le mystère vieux d'un demi-siècle de la façon dont les "jets" de particules voyageant à presque la vitesse de la lumière jaillissent des champs magnétiques des trous noirs, tandis que tout le reste est aspiré dans leurs abysses, a déclaré l'étude co- l'auteur Stephen Eikenberry, professeur d'astronomie au Collège des arts libéraux et des sciences de l'UF.

"La question est, comment faites-vous cela?" dit Eikenberry. "Nos mesures étonnamment faibles imposeront de nouvelles contraintes aux modèles théoriques qui se concentraient auparavant sur de forts champs magnétiques accélérant et dirigeant les flux de jet. Nous ne nous attendions pas à cela, donc cela change beaucoup de ce que nous pensions savoir."

Les auteurs de l'étude ont développé les mesures à partir des données collectées en 2015 lors d'une rare explosion de jets d'un trou noir. L'événement a été observé à travers le miroir de l'objectif du Gran Telescopio Canarias de 34 pieds, le plus grand télescope du monde, détenu en copropriété par UF et situé dans les îles Canaries en Espagne, avec l'aide de sa caméra infrarouge construite par UF nommée CIRCE Expérience).

Les trous noirs plus petits producteurs de jets, comme celui observé pour l'étude, sont les étoiles de roche des galaxies. Leurs explosions se produisent soudainement et sont de courte durée, ont déclaré l'auteur principal de l'étude Yigit Dalilar et le co-auteur Alan Garner, doctorants au département d'astronomie de l'UF. Les explosions de 2015 de V404 Cygni n'ont duré que quelques semaines. La fois précédente, le même trou noir avait connu un épisode similaire, c'était en 1989.

"L'observer était quelque chose qui arrive une ou deux fois dans sa carrière", a déclaré Dalilar. "Cette découverte nous rapproche un peu plus de la compréhension du fonctionnement de l'univers."


Les trous noirs extrêmes ont des cheveux qui peuvent être peignés

Conception d'artiste d'un trou noir en rotation accrétant de la matière via un disque d'accrétion et émettant un jet. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Les trous noirs sont considérés parmi les objets les plus mystérieux de l'univers. Une partie de leur intrigue vient du fait qu'ils sont en fait parmi les solutions les plus simples aux équations de champ d'Einstein de la relativité générale. En fait, les trous noirs ne peuvent être pleinement caractérisés que par trois grandeurs physiques : leur masse, leur spin et leur charge. Puisqu'ils n'ont pas d'attributs "poilus" supplémentaires pour les distinguer, les trous noirs sont dits n'avoir "pas de cheveux" - les trous noirs de même masse, spin et charge sont exactement identiques les uns aux autres.

Le Dr Lior Burko de Theiss Research, en collaboration avec le professeur Gaurav Khanna de l'Université du Massachusetts à Dartmouth et de l'Université de Rhode Island, aux côtés de son ancien étudiant, le Dr Subir Sabharwal, a découvert qu'un type particulier de trou noir viole l'unicité du trou noir, théorème "pas de cheveux". Plus précisément, l'équipe a étudié les trous noirs extrêmes, des trous "saturés" avec la charge ou le spin maximum qu'ils peuvent éventuellement transporter. Ils ont découvert qu'il existe une quantité qui peut être construite à partir de la courbure de l'espace-temps à l'horizon du trou noir qui est conservée et mesurable par un observateur distant. Étant donné que cette quantité dépend de la façon dont le trou noir s'est formé, et pas seulement des trois attributs classiques, elle viole l'unicité du trou noir.

Cette quantité constitue des "cheveux gravitationnels" et potentiellement mesurables par les observatoires d'ondes gravitationnelles récents et à venir comme LIGO et LISA. La structure de ce nouveau cheveu suit le développement d'une quantité similaire qui a été trouvée par Angelopoulos, Aretakis et Gajic dans le contexte d'un modèle "jouet" plus simple utilisant un champ scalaire et des trous noirs sphériques, et l'étend aux perturbations gravitationnelles de la rotation ceux.

"Ce nouveau résultat est surprenant", a déclaré Burko, "parce que les théorèmes d'unicité des trous noirs sont bien établis, et en particulier leur extension aux trous noirs extrêmes. Il doit y avoir une hypothèse des théorèmes qui n'est pas satisfaite, pour expliquer comment le les théorèmes ne s'appliquent pas dans ce cas. En effet, l'équipe a suivi les travaux antérieurs d'Aretakis, qui ont constaté que même si les perturbations externes des trous noirs extrêmes se dégradent comme elles le font également pour les trous noirs réguliers, le long de l'horizon des événements, certains champs de perturbation évoluent indéfiniment dans le temps. "Les théorèmes d'unicité supposent une indépendance temporelle. Mais le phénomène Aretakis viole explicitement l'indépendance temporelle le long de l'horizon des événements. C'est la faille à travers laquelle les cheveux peuvent sortir et être peignés à grande distance par un observatoire d'ondes gravitationnelles", a déclaré Burko. Contrairement à d'autres travaux qui ont trouvé des cheveux dans la scalarisation des trous noirs, Burko a noté que "dans ce travail, nous travaillions avec la théorie du vide d'Einstein, sans champs dynamiques supplémentaires qui modifient la théorie et qui peuvent violer le principe d'équivalence forte".

L'équipe a utilisé des simulations numériques très intensives pour générer leurs résultats. Les simulations impliquaient l'utilisation de dizaines d'unités de traitement graphique (GPU) Nvidia haut de gamme avec plus de 5 000 cœurs chacune, en parallèle. "Chacun de ces GPU peut effectuer jusqu'à 7 000 milliards de calculs par seconde, cependant, même avec une telle capacité de calcul, les simulations prennent plusieurs semaines", a déclaré Khanna.


Voir l'invisible

En raison de sa distance par rapport à nous, l'imagerie de ce géant d'un trou noir est extrêmement difficile. Cela nécessite une résolution suffisamment nette pour se concentrer sur une orange à la surface de la Lune, ou être capable de voir des atomes individuels dans son propre doigt. Le télescope y est parvenu grâce à une collaboration sans précédent entre des scientifiques du monde entier, reliant huit radiotélescopes au sol et transformant la Terre en un seul radiotélescope virtuel géant.

Les trous noirs sont peut-être les objets les plus énigmatiques de la nature, alimentant certains des phénomènes les plus énergétiques – et inobservables – de notre univers. En raison de leur horizon des événements, la limite au-delà de laquelle rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper, nous ne pouvons pas voir directement un trou noir. Mais la matière qui tombe vers un trou noir est attirée par son immense attraction gravitationnelle et devient extrêmement chaude et lumineuse.

Première image d'un trou noir. Télescope Event Horizon , CC BY-SA

À l'approche de l'horizon des événements, cette matière est surchauffée par friction et se déplace à une vitesse proche de la lumière, émettant de grandes quantités de rayonnement. C'est le rayonnement sous forme d'ondes radio produites par ce gaz quelques instants avant qu'il ne traverse l'horizon des événements que le télescope est conçu pour détecter.


Le trou noir a trop mangé

Par : Camille M. Carlisle 28 février 2014 2

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Les trous noirs de masse stellaire pourraient affecter leur environnement plus que les astronomes ne le pensaient.

Un trou noir dans la galaxie spirale M83 pourrait avoir mordu plus qu'il ne devrait être capable de mâcher. Les trous noirs adhèrent théoriquement à ce qu'on appelle la limite d'Eddington, qui déclare qu'un trou noir qui s'accréte ne peut cracher autant d'énergie dans les jets, les vents et les radiations de son disque pelucheux. Au-dessus de la limite, tout ce rayonnement qui pousse vers l'extérieur coupe le flux de gaz entrant et affame la bête, amortissant lesdites vomissements.

Représentation hautement symbolique d'un artiste d'un trou noir de masse stellaire siphonnant le matériau de son étoile compagnon massive. Le disque d'accrétion interne chaud émet des rayons X que les astronomes peuvent utiliser pour estimer la masse du trou noir.

Mais comme Roberto Soria (Curtin University, Australie) et ses collègues l'ont rapporté le 27 février dans La science, un trou noir en orbite autour d'une étoile à 15 millions d'années-lumière semble avoir dépassé sa limite pendant environ 20 000 ans.

L'équipe a étudié le système binaire, appelé MQ1, en rayons X, optique, infrarouge et radio à l'aide de certains des meilleurs télescopes terrestres et spatiaux. Les rayons X proviennent du disque d'accrétion du trou noir, et sur la base de la façon dont l'émission du disque devrait ressembler à une masse donnée, l'équipe a utilisé la luminosité du système dans les rayons X pour estimer la taille du trou noir.

Les astronomes ont ensuite tourné leur attention vers ce qui ressemble à une bulle autour de MQ1, apparemment gonflée par les jets du trou noir et d'autres sorties. Sur la base de l'émission du gaz chauffé par choc à l'intérieur de la bulle, ils ont calculé la quantité d'énergie déversée dans le gaz et, par conséquent, la puissance moyenne du jet nécessaire pour le faire.

Enfin, ils ont utilisé la puissance estimée du jet, la taille estimée de la bulle et la densité présumée du gaz pour calculer la durée d'expansion de la structure (et, par conséquent, son âge).

Ensemble, ces trois axes d'investigation suggèrent que le trou noir se situe entre environ 10 et 115 masses solaires, avec une meilleure estimation d'un peu plus de 40. Au cours d'environ 20 000 ans, il a vomi de l'ordre de 10 52 ergs d'énergie. dans son environnement environnant, 10 fois plus qu'une supernova typique.

La galaxie M83 a des bras spiraux bien définis qui tracent des régions de formation d'étoiles actives. Les astronomes ont détecté un trou noir de masse stellaire près du noyau de la galaxie qui a éclaté avec plus d'énergie que prévu.

Adam Block / NOAO / AURA / NSF

un système transitoire différent que l'équipe de Soria a également trouvé dans M83), mais la détection des rayons X du disque d'accrétion lui-même fait de ce système une occasion unique d'étudier la masse du trou noir.

Et la masse est l'incertitude clé dans cette image. Si le trou noir se situe à l'extrémité supérieure de la plage de masse (ou un peu plus élevée), cela pourrait atténuer le problème. Malheureusement, en raison de la distance et des contraintes d'observation, il est presque impossible de mesurer directement la masse de ce trou noir, dit Soria.

Joey Neilsen (Université de Boston) dit que pour lui, le casse-tête est moins que le trou noir semble avoir été autrefois un super-Eddington - ce n'est pas le cas actuellement - que que l'objet a dépassé la limite pendant si longtemps. Les trous noirs de masse stellaire dans les systèmes binaires «s'allument» souvent pendant plusieurs mois ou un an, crachant des jets, puis disparaissent pendant peut-être une décennie ou plus. Si MQ1 fonctionnait par rafales, cela signifierait que, pour atteindre un niveau moyen à un niveau super-Eddington sur ces plusieurs milliers d'années, les « morceaux » d'explosion auraient dû être encore plus énergétiques.

Soria dit qu'il devrait être possible pour un trou noir d'aller trois à quatre fois au-dessus de son taux d'Eddington jusqu'à 100 000 ans si une énorme quantité de gaz dense et opaque est déversée sur le trou noir à partir d'une étoile compagnon massive. Normalement, les photons produits à l'intérieur du gaz chaud entrant accumulent tellement de rayonnement que la pression peut arrêter la chute. Mais si le gaz est très dense et opaque au rayonnement, la fuite des photons est retardée - parfois, ils n'ont même pas le temps d'émerger avant que le gaz qui les entoure ne traverse l'horizon des événements (avec eux toujours à l'intérieur). Dans ce cas, les photons ne peuvent pas « faire leur devoir de repousser le gaz », dit-il. Il soupçonne que c'est ce qui s'est passé avec MQ1.

D'un autre côté, si le trou noir se situe à l'extrémité supérieure de sa plage de masse, ce serait également cool : les astronomes ont eu du mal à trouver des preuves solides des trous noirs de masse intermédiaire, les tremplins putatifs entre ces quelques fois le Soleil masse et les mastodontes qui se cachent dans les noyaux des galaxies.

Neilsen le résume ainsi : « Quoi qu'il arrive, c'est vraiment intéressant.

Référence : R. Soria et al. « Puissance mécanique super-Eddington d'un trou noir s'accroissant dans M83. » La science. Publié en ligne le 27 février 2014.


Le champ magnétique peut garder le trou noir de la Voie lactée silencieux

Lignes profilées montrant des champs magnétiques superposés sur une image couleur de l'anneau poussiéreux autour du trou noir massif de la Voie lactée. The Y-shaped structure is warm material falling toward the black hole, which is located near where the two arms of the Y-intersect. The streamlines reveal that the magnetic field closely follows the shape of the dusty structure. Each of the blue arms has its own field that is totally distinct from the rest of the ring, shown in pink. Credit: Galactic Center dust and magnetic fields: NASA/SOFIA, star field image: NASA/Hubble Space Telescope

Supermassive black holes exist at the center of most galaxies, and our Milky Way is no exception. But many other galaxies have highly active black holes, meaning a lot of material is falling into them, emitting high-energy radiation in this “feeding” process. The Milky Way’s central black hole, on the other hand, is relatively quiet. New observations from NASA’s Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, SOFIA, are helping scientists understand the differences between active and quiet black holes.

These results give unprecedented information about the strong magnetic field at the center of the Milky Way galaxy. Scientists used SOFIA’s newest instrument, the High-resolution Airborne Wideband Camera-Plus, HAWC+, to make these measurements.

Magnetic fields are invisible forces that influence the paths of charged particles, and have significant effects on the motions and evolution of matter throughout the universe. But magnetic fields cannot be imaged directly, so their role is not well understood. The HAWC+ instrument detects polarized far-infrared light, which is invisible to human eyes, emitted by celestial dust grains. These grains align perpendicular to magnetic fields. From the SOFIA results, astronomers can map the shape and infer the strength of the otherwise invisible magnetic field, helping to visualize this fundamental force of nature.

“This is one of the first instances where we can really see how magnetic fields and interstellar matter interact with each other,” noted Joan Schmelz, Universities Space Research Center astrophysicist at NASA Ames Research Center in California’s Silicon Valley, and a co-author on a paper describing the observations. “HAWC+ is a game-changer.”

Previous observations from SOFIA show the tilted ring of gas and dust orbiting the Milky Way’s black hole, which is called Sagittarius A* (pronounced “Sagittarius A-star”). But the new HAWC+ data provide a unique view of the magnetic field in this area, which appears to trace the region’s history over the past 100,000 years.

Details of these SOFIA magnetic field observations were presented at the June 2019 meeting of the American Astronomical Society and will be submitted to the Astrophysical Journal.

The gravity of the black hole dominates the dynamics of the center of the Milky Way, but the role of the magnetic field has been a mystery. The new observations with HAWC+ reveal that the magnetic field is strong enough to constrain the turbulent motions of gas. If the magnetic field channels the gas so it flows into the black hole itself, the black hole is active, because it is eating a lot of gas. However, if the magnetic field channels the gas so it flows into an orbit around the black hole, then the black hole is quiet because it’s not ingesting any gas that would otherwise eventually form new stars.

Researchers combined mid- and far-infrared images from SOFIA’s cameras with new streamlines that visualize the direction of the magnetic field. The blue y-shaped structure (see figure) is warm material falling toward the black hole, which is located near where the two arms of the y-shape intersect. Layering the structure of the magnetic field over the image reveals that the magnetic field follows the shape of the dusty structure. Each of the blue arms has its own field component that is totally distinct from the rest of the ring, shown in pink. But there are also places where the field veers away from the main dust structures, such as the top and bottom endpoints of the ring.

“The spiral shape of the magnetic field channels the gas into an orbit around the black hole,” said Darren Dowell, a scientist at NASA’s Jet Propulsion Laboratory, principal investigator for the HAWC+ instrument, and lead author of the study. “This could explain why our black hole is quiet while others are active.”

The new SOFIA and HAWC+ observations help determine how material in the extreme environment of a supermassive black hole interacts with it, including addressing a longstanding question of why the central black hole in the Milky Way is relatively faint while those in other galaxies are so bright.

SOFIA, l'Observatoire stratosphérique pour l'astronomie infrarouge, est un avion de ligne Boeing 747SP modifié pour transporter un télescope de 106 pouces de diamètre. Il s'agit d'un projet conjoint de la NASA et du Centre aérospatial allemand, DLR. Le centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley en Californie gère le programme SOFIA, la science et les opérations de mission en coopération avec l'Universities Space Research Association, dont le siège est à Columbia, dans le Maryland, et l'Institut allemand SOFIA (DSI) de l'Université de Stuttgart. L'avion est entretenu et exploité depuis le bâtiment 703 du centre de recherche en vol Armstrong de la NASA, à Palmdale, en Californie. The HAWC+ instrument was developed and delivered to NASA by a multi-institution team led by the Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California.