Astronomie

Un trou noir fait d'une étoile anti-matière est-il le même qu'un trou noir ordinaire ?

Un trou noir fait d'une étoile anti-matière est-il le même qu'un trou noir ordinaire ?

Un trou noir d'une étoile faite d'antimatière serait-il le même qu'un trou noir fait de matière ordinaire ?.


Pour répondre formellement à cette question, un trou noir fait d'antimatière serait indiscernable d'un trou noir de matière. Les trous noirs sont des objets douteux, mais il semble probable que cela n'a aucun sens de parler de "trou noir d'antimatière" car une fois que la matière entre dans le trou noir, que ce soit de la matière ou de l'antimatière, elle cesse d'avoir des propriétés qui le définir comme matière ou anti-matière. Le théorème sans cheveux pour les trous noirs indique que, parmi quelques autres propriétés, un trou noir n'est défini que par sa masse et sa charge nette. L'état de la matière des particules individuelles qui sont tombées dans le trou noir ne joue aucun rôle dans cette description.

En fait, il y a un débat vigoureux quant à savoir si oui ou non « l'information » est conservée pour les trous noirs. Par exemple, si une particule d'antimatière tombait dans un trou noir, pourriez-vous, plus tard, retirer une particule ayant les mêmes propriétés ou en retireriez-vous quelque chose de propriétés complètement aléatoires, non liées à la matière d'origine. Cela joue en partie dans votre question car cela indique qu'il y a encore beaucoup d'incertitude concernant la perte d'informations (y compris si la particule est de l'antimatière ou de la matière) lorsque les particules tombent dans un trou noir et si elles n'alimentent pas l'antimatière dans un trou noir en fait en fait un trou noir anti-matière ou tout simplement un trou noir.


Un message de Stephen Hawking est en route vers un trou noir

Le physicien Stephen Hawking n'a peut-être jamais été en mesure de rencontrer le sujet de l'œuvre de sa vie, un trou noir, mais dans un avenir lointain, ses paroles le seront : la BBC rapporte qu'après que ses cendres ont été enterrées à l'abbaye de Westminster vendredi, un message de le cosmologiste et communicateur scientifique a été diffusé vers 1A 0620-00, le trou noir le plus proche.

Le message de Hawking est accompagné d'une pièce musicale écrite par le compositeur grec Vangelis, mieux connu pour la partition oscarisée du film Chariots de feu et a été diffusé par une antenne parabolique de l'Agence spatiale européenne à Cebreros, en Espagne. CNN rapporte que la pièce dure environ six minutes et demie avec la voix off de Hawking au milieu. Voyageant à la vitesse de la lumière, il faudra 3 500 ans pour que le message atteigne le trou noir, qui fait partie d'un système binaire avec une étoile naine orange ordinaire.

"C'est un beau geste symbolique qui crée un lien entre la présence de notre père sur cette planète, son désir d'aller dans l'espace et ses explorations de l'univers dans son esprit", a déclaré la fille de Hawking, Lucy, dans un communiqué, rapporte l'AFP. “C'est un message de paix et d'espoir, sur l'unité et la nécessité pour nous de vivre ensemble en harmonie sur cette planète.”

Hawking, décédé en mars à l'âge de 76 ans, souffrait de sclérose latérale amyotrophique (également connue sous le nom de SLA ou maladie de Lou Gehrig), qui l'a privé de la capacité de marcher et de parler. Bien qu'il ne soit pas censé vivre au-delà de la vingtaine, il passa les 50 années suivantes à étudier le mystère des trous noirs et à communiquer au public les idées émergentes en physique et en astronomie dans ses livres à succès. Une brève histoire du temps, Le grand dessein, Sur les épaules des géants, et d'autres.

Bien qu'avoir votre voix rayonnée dans le cosmos soit un très grand honneur, Stephen Castle à Le New York Times rapporte qu'être enterré dans l'abbaye de Westminster est le plus grand honneur terrestre qui soit. Environ 3 300 citoyens britanniques extraordinaires sont enterrés ou commémorés dans l'abbaye, dont 17 monarques, des écrivains comme Chaucer, Shakespeare et Dickens, et Sir Isaac Newton et Charles Darwin, entre lesquels Hawking repose désormais.

CNN rapporte qu'en plus des amis et collègues qui ont assisté au service à l'abbaye, une loterie a été organisée pour 1 000 billets publics, auxquels 25 000 personnes de 100 pays ont demandé. Des discours et des lectures d'hommage ont été prononcés par le prix Nobel Kip Thorne, le défenseur des personnes handicapées paralysé Tom Nabarro, l'astronaute britannique Tim Peake, l'acteur Benedict Cumberbatch, qui a joué Hawking dans le film de la BBC Colportage, l'astronome Royal Martin Rees et Lucy Hawking. Trois jeunes qui, comme Hawking, utilisent un synthétiseur vocal pour parler, ont également été invités à la cérémonie.

Bien que Hawking n'était pas un fan de la religion, cela n'a pas empêché ses cendres d'être enterrées dans l'église, une décision prise uniquement par John R. Hall, doyen de Westminster, rapporte Castle. "S'il était réellement athée, s'il était réellement agnostique, quelle était sa position, à mon avis, n'est pas tout à fait clair", a déclaré le Dr Hall. « Ma position est tout simplement la suivante : qu'une personne croie ou non en Dieu, si quelqu'un accomplit des choses extraordinaires, alors je crois que Dieu est dans ce processus. »

Hawking a peut-être également eu des sentiments mitigés à propos de la diffusion d'un message dans l'espace pour que chaque extraterrestre de la galaxie l'entende. Bien qu'il ait fortement soutenu les efforts visant à rechercher des signes de vie intelligente dans le cosmos, comme l'initiative Breakthrough Listen, il a également averti que diriger d'autres civilisations dans notre direction pourrait être une mauvaise nouvelle. « Une civilisation qui lit l'un de nos messages pourrait avoir des milliards d'années d'avance sur nous », a-t-il déclaré en 2015. « Si c'est le cas, ils seront beaucoup plus puissants et pourraient ne pas nous considérer comme plus précieux que nous ne le voyons. bactéries.”

Espérons que la musique de Vangelis calmera tous les extraterrestres qui écoutent le message de Hawking avant qu'ils ne décident de détruire notre planète en extrayant des cristaux de dilithium.

À propos de Jason Daley

Jason Daley est un écrivain basé à Madison, dans le Wisconsin, spécialisé dans l'histoire naturelle, la science, les voyages et l'environnement. Son travail est paru dans Découvrir, Science populaire, Dehors, Journal des hommes, et d'autres revues.


Un trou noir fait d'une étoile anti-matière est-il le même qu'un trou noir ordinaire ? - Astronomie

Si un trou noir issu d'une étoile massive faite d'antimatière entrait en collision avec un autre trou noir issu d'une étoile faite de matière « ordinaire », que se passerait-il ? Le trou noir fabriqué à partir de l'étoile anti-matière conserverait-il des propriétés "anti" telles que les deux trous noirs s'annihileraient dans un brillant éclair d'énergie ou la fusion serait-elle la même que n'importe quel autre trou noir, quel que soit le type de matière d'où provient le trou noir ?

Premièrement, une collision matière-antimatière est efficace à 100 %. Ainsi, même si vous aviez une collision à l'échelle d'une étoile de matière de masse solaire de 10 millions de masse combinée à une étoile d'antimatière de masse solaire de 10 millions, toute cette masse se convertirait en énergie. Par exemple, l'énergie de ce type de collision irait dans des rayons gamma de très haute énergie.

Maintenant, le problème d'étendre cette connaissance au cas des deux trous noirs que vous avez proposés a à voir avec la théorie "sans cheveux" de John Wheeler. Lorsqu'un trou noir se forme, étant donné qu'aucune information ne peut quitter le trou noir en raison de sa gravité intense, nous n'avons aucun moyen de dire quel processus ou type d'étoile exact a créé le trou noir. Nous ne pouvons mesurer que la masse, la charge électrique et le moment angulaire d'un trou noir. Les trous noirs se ressembleront pour nous, qu'ils aient été créés par une étoile fortement magnétisée, une étoile « bosselée » ou même une étoile carrée. Comme l'a dit John Wheeler, "Un trou noir n'a pas de cheveux." Ainsi, nous ne pouvons pas vraiment parler d'un trou noir créé par une étoile de matière par rapport à un trou noir créé par une étoile d'antimatière, sans parler de ce qui se passerait s'ils devaient entrer en collision.

Pour en savoir plus sur les trous noirs, je recommanderais "Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy" de Kip Thorne. Le livre n'est pas trop dur mais pas trop facile et a des illustrations très utiles.

Cette page a été mise à jour le 27 juin 2015.

A propos de l'auteur

Sabrina Stierwalt

Sabrina était étudiante diplômée à Cornell jusqu'en 2009, date à laquelle elle a déménagé à Los Angeles pour devenir chercheuse à Caltech. Elle étudie maintenant les fusions de galaxies à l'Université de Virginie et au National Radio Astronomy Observatory à Charlottesville. Vous pouvez également la trouver répondant à des questions scientifiques dans son podcast hebdomadaire intitulé Everyday Einstein.


Suivi #1 : Constituants des trous noirs

Probablement pas, bien qu'en principe il puisse y avoir des trous noirs faits d'antimatière. La théorie actuelle est qu'elles ont commencé comme des étoiles monstrueusement grandes faites de matière ordinaire, des centaines ou des milliers de fois plus lourdes que notre soleil, qui se sont simplement effondrées par leur propre poids dans un trou noir. Bien qu'il y ait quelques antiprotons dans les rayons cosmiques, quelques parties sur 10 000, l'abondance est cohérente avec la production de p p-bar à partir d'interactions de rayons cosmiques de haute énergie. Il n'y a pas beaucoup d'antimatière autour du tout, et encore moins assez pour former une étoile ou un trou noir.


Trous de ver

Comme les trous noirs, les trous de ver apparaissent comme des solutions valides aux équations de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, et, comme les trous noirs, l'expression a été inventée (en 1957) par le physicien américain John Wheeler. Tout comme les trous noirs, ils n'ont jamais été observés directement, mais ils surgissent si facilement en théorie que certains physiciens sont encouragés à penser que de véritables contreparties peuvent éventuellement être trouvées ou fabriquées.

En 1916, le physicien autrichien Ludwig Flamm, en examinant la solution de Karl Schwarzschild aux équations de champ d'Einstein, qui décrit une forme particulière de trou noir connue sous le nom de trou noir de Schwarzschild, a remarqué qu'une autre solution était également possible, qui décrivait un phénomène qui est venu plus tard être connu comme un "trou blanc". Un trou blanc est l'inversion théorique du temps d'un trou noir et, alors qu'un trou noir agit comme un vide, attirant toute matière qui traverse l'horizon des événements, un trou blanc agit comme une source qui éjecte de la matière de son horizon des événements. Certains ont même émis l'hypothèse qu'il existe un trou blanc de "l'autre côté" de tous les trous noirs, où toute la matière que le trou noir aspire est soufflée dans un univers alternatif, et même que ce que nous considérons comme le Big Bang pourrait en fait ont été le résultat d'un tel phénomène.

Flamm a également remarqué que les deux solutions, décrivant deux régions différentes de l'espace-temps, pouvaient être reliées mathématiquement par une sorte de conduit espace-temps, et que, en théorie du moins, l'"entrée" du trou noir et la "sortie" du trou blanc pouvaient être dans des parties totalement différentes du même univers ou même dans des univers différents ! Einstein lui-même a approfondi ces idées en 1935, avec Nathan Rosen, et les deux ont trouvé une solution connue sous le nom de pont Einstein-Rosen (également connu sous le nom de trou de ver Lorentzien ou de trou de ver Schwarzschild).


(Cliquez pour une version plus grande)
Un trou de ver est un "raccourci" théorique entre des régions éloignées de l'espace-temps
(Source : Wikipédia : http://commons.wikimedia.org/
wiki/Fichier:Ver3.jpg)

Pour mieux visualiser un trou de ver, considérons l'analogie d'un morceau de papier avec deux marques de crayon tracées dessus (pour représenter deux points dans l'espace-temps), la ligne entre eux indiquant la distance d'un point à l'autre dans l'espace-temps normal . Si le papier est maintenant plié et plié presque en double (l'équivalent d'une déformation drastique de l'espace-temps), alors passer le crayon à travers le papier fournit un moyen beaucoup plus court de relier les deux points, un raccourci à travers l'espace-temps un peu comme un trou de ver.

Certains théoriciens sont encouragés à penser que de véritables contreparties peuvent éventuellement être trouvées ou fabriquées et, peut-être, utilisées comme tunnel ou raccourci pour les voyages spatiaux à grande vitesse entre des points éloignés ou même pour les voyages dans le temps (avec tous les paradoxes potentiels qui pourraient entraîner ). Cependant, une propriété généralement acceptée des trous de ver est qu'ils sont intrinsèquement très instables et qu'ils s'effondreraient probablement en un temps beaucoup plus court qu'il n'en faudrait pour passer de l'autre côté. En tout cas, il est prédit qu'ils s'effondreraient instantanément si même la plus petite quantité de matière (même un seul photon) tentait de les traverser.

Bien que certains moyens théoriques possibles de contourner ce problème aient été suggérés (par exemple, en utilisant des « cordes cosmiques » ou « matière négative » ou une autre matière exotique avec « énergie négative ») pour empêcher le trou de ver de se fermer, l'idée reste largement dans le domaine de la science-fiction pour le moment. Cependant, il n'a toujours pas été prouvé mathématiquement au-delà de tout doute qu'une sorte de matière exotique avec une densité d'énergie négative est une exigence absolue pour les trous de ver, et il n'a pas été établi qu'une telle matière exotique ne peut pas exister, donc la possibilité d'une application pratique de la théorie demeure.

Parce qu'un trou de ver est un conduit à travers l'espace-temps à 4 dimensions, et pas seulement à travers l'espace, Stephen Hawking et d'autres ont également postulé que les trous de ver pourraient théoriquement être utilisés pour voyager dans le temps ainsi que dans l'espace, bien qu'il soit largement admis que le temps voyager dans le passé ne sera jamais possible en raison du potentiel de paradoxes et de boucles de rétroaction autodestructrices.


Un ciel plein de rochers

Donc, en lisant sur Twitter l'autre jour, j'ai remarqué que quelques personnes publiaient que si vous preniez la masse d'un trou noir et l'étaliez sur tout son volume, vous constateriez que la densité de ce trou noir barbouillé aurait la même densité de l'eau. Cela a tout de suite fait trébucher mes sens d'astronome. Un trou noir de 1 masse solaire (c'est-à-dire un trou noir de même masse que notre soleil) a un rayon classique non rotatif d'environ 3 kilomètres. Une boule d'eau de 3 km ne s'effondrera pas spontanément dans un trou noir, comme en témoigne le fait que nos océans et la lune Europe de Jupiter ne sont pas des trous noirs en ce moment. Bien que cette affirmation soit fausse, cela m'a fait penser : "Un trou noir pourrait-il être assez massif pour que ce soit vrai ?"

Dans un sens classique, ce problème n'est pas trop difficile à résoudre, j'ai juste besoin de trouver comment le volume d'un trou noir évolue avec sa masse et de déterminer où cela donne une densité brute d'environ 1000 kg/m 3 , la densité d'eau (1 g/cm 3 pour ceux qui utilisent des unités cgs !).

Pour me faciliter la tâche, je prends un trou noir classique non rotatif et suppose que le rayon en question est l'horizon des événements, où la vitesse d'échappement locale est égale à la vitesse de la lumière. Prenons l'équation de la vitesse d'échappement ve:

Maintenant, c'est un rayon assez petit pour la plupart des masses - comme il se doit puisque nous ne voyons pas des choses ordinaires s'effondrer dans des trous noirs tout autour de nous ! Un trou noir avec la masse du Soleil se termine par un rayon d'environ 3 km. Un trou noir de masse terrestre aurait à peu près la taille d'un seul dé de jeu, et un trou noir de masse humaine serait beaucoup plus petit qu'un proton !

Maintenant, je peux utiliser cette équation pour trouver le rayon d'un trou noir d'une masse donnée. Pour trouver la densité brute rho j'ai besoin de diviser la masse M par le volume d'une sphère de rayon rs.


Le télescope de l'ESO voit la danse des étoiles autour d'un trou noir supermassif, ce qui donne raison à Einstein

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. Son orbite a la forme d'une rosette et non d'une ellipse comme le prédit la théorie de la gravité de Newton. Ce résultat tant attendu a été rendu possible par des mesures de plus en plus précises sur près de 30 ans, qui ont permis aux scientifiques de percer les mystères du mastodonte tapi au cœur de notre galaxie.

"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 du mouvement. Cet effet célèbre - vu pour la première fois dans l'orbite de la planète Mercure autour du Soleil - a été la première preuve en faveur de la relativité générale. 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. 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 », a déclaré Reinhard Genzel, directeur de l'Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE) à Garching, en Allemagne et architecte du projet de 30 ans programme qui a conduit à ce résultat.

Situé à 26 000 années-lumière du Soleil, Sagittaire A* et l'amas dense d'étoiles qui l'entoure constituent un laboratoire unique pour tester la physique dans un régime de gravité extrême et inexploré. L'une de ces étoiles, S2, balaie vers le trou noir supermassif à une distance la plus proche de moins de 20 milliards de kilomètres (cent vingt fois la distance entre le Soleil et la Terre), ce qui en fait l'une des étoiles les plus proches jamais trouvées en orbite autour de le géant massif. À son approche la plus proche du trou noir, S2 fonce dans l'espace à près de trois pour cent de la vitesse de la lumière, accomplissant une orbite une fois tous les 16 ans. "Après avoir suivi l'étoile sur son orbite pendant plus de deux décennies et demie, nos mesures exquises détectent de manière robuste la précession de Schwarzschild de S2 sur sa trajectoire autour du Sagittaire A*", a déclaré Stefan Gillessen du MPE, qui a dirigé l'analyse des mesures publiées aujourd'hui dans le journal Astronomie et astrophysique.

La plupart des étoiles et des planètes ont une orbite non circulaire et se rapprochent donc et s'éloignent de l'objet autour duquel elles tournent. L'orbite de S2 précesse, ce qui signifie que l'emplacement de son point le plus proche du trou noir supermassif change à chaque tour, de sorte que l'orbite suivante est tournée par rapport à la précédente, créant une forme de rosette. La relativité générale fournit une prédiction précise de combien son orbite change et les dernières mesures de cette recherche correspondent exactement à la théorie. Cet effet, connu sous le nom de précession de Schwarzschild, n'avait jamais été mesuré auparavant pour une étoile autour d'un trou noir supermassif.

L'étude avec le VLT de l'ESO aide également les scientifiques à en savoir plus sur le voisinage du trou noir supermassif au centre de notre galaxie. "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 », déclarent Guy Perrin et Karine Perraut, les scientifiques français principaux du projet.

Ce résultat est l'aboutissement de 27 années d'observations de l'étoile S2 en utilisant, pour la plupart de ce temps, une flotte d'instruments au VLT de l'ESO, situé dans le désert d'Atacama au Chili. Le nombre de points de données marquant la position et la vitesse de l'étoile atteste de la rigueur et de la précision de la nouvelle recherche : l'équipe a effectué plus de 330 mesures au total, à l'aide des instruments GRAVITY, SINFONI et NACO. Parce que S2 prend des années pour orbiter autour du trou noir supermassif, il était crucial de suivre l'étoile pendant près de trois décennies, pour démêler les subtilités de son mouvement orbital.

La recherche a été menée par une équipe internationale dirigée par Frank Eisenhauer du MPE avec des collaborateurs de France, du Portugal, d'Allemagne et de l'ESO. L'équipe constitue la collaboration GRAVITY, du nom de l'instrument qu'ils ont développé pour l'interféromètre VLT, qui combine la lumière des quatre télescopes VLT de 8 mètres dans un super-télescope (avec une résolution équivalente à celle d'un télescope de 130 mètres de diamètre ). Le [la même équipe a rapporté en 2018] -- un autre effet prédit par la relativité générale : ils ont vu la lumière reçue de S2 s'étirer à des longueurs d'onde plus longues alors que l'étoile passait près du Sagittaire A*. "Notre résultat précédent a montré que la lumière émise par l'étoile subit la relativité générale. Maintenant, nous avons montré que l'étoile elle-même ressent les effets de la relativité générale", explique Paulo Garcia, chercheur au Centre portugais d'astrophysique et de gravitation et l'un des scientifiques principaux du projet GRAVITY.

Avec le prochain télescope extrêmement grand de l'ESO, l'équipe pense qu'elle pourrait voir des étoiles beaucoup plus faibles 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", explique Andreas Eckart de l'Université de Cologne, un autre des scientifiques principaux du projet. Cela signifierait que les astronomes seraient capables de mesurer les deux quantités, le spin et la masse, qui caractérisent le Sagittaire A* et définissent l'espace et le temps autour de lui. "Ce serait encore une fois un niveau complètement différent de test de la relativité", explique Eckart.


Trous noirs, corps invisibles d'une gravité intense

À l'intérieur d'une étoile, il y a une bataille constante entre la pression intérieure de la gravité et la pression extérieure de la chaleur. Si vous jetiez une canette de soda non ouverte dans un feu, la boisson se dilaterait à cause de la chaleur et exploserait. C'est le même principe à l'œuvre lorsqu'une étoile brûle, sa chaleur génère une grande pression vers l'extérieur, mais cette explosion constante correspond à une gravité tout aussi forte, ainsi une étoile conserve sa forme et sa taille.

Lorsqu'une étoile approche de la fin de sa vie, elle se refroidit lentement et la pression vers l'extérieur devient de plus en plus faible à mesure que la température de l'étoile baisse. Lorsque la pression vers l'extérieur de la chaleur est presque disparue, la pression vers l'intérieur de la gravité reste et est déterminée par la taille de l'étoile. Il est théorisé que lorsqu'une étoile d'environ dix fois la taille de notre Soleil approche de la fin de sa vie, elle rétrécit à mesure que sa propre gravité l'attire lentement, mais à mesure qu'elle devient de plus en plus dense, la gravité devient plus forte.

La gravité devient si intense que même la lumière ne peut y échapper. Si vous avez déjà vu de l'eau tourbillonner dans un égout, alors vous avez une assez bonne idée de ce qui se passe lorsqu'un trou noir attire des choses. À mesure que la matière et la lumière s'approchent du voisinage d'un trou noir, elles sont lentement aspirées. Si elles ne se dirigent pas vers tout droit vers l'anomalie spatiale puis ils sont emmenés dans une orbite violente et instable autour du trou noir jusqu'à ce que finalement l'orbite se désagrège et qu'elle soit aspirée par l'immense gravité.

La taille du trou noir est déterminée par la masse de l'étoile effondrée. Le rayon critique d'un trou noir non rotatif est appelé rayon de Schwarzschild, du nom de l'astronome allemand Karl Schwarzschild (1873-1916) qui a étudié le problème en 1916 sur la base de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Selon la relativité générale, la gravitation d'un trou noir courbe l'espace et le temps à un point tel qu'ils se décomposent en un corps sans dimension de densité infinie.

La limite autour de l'étoile effondrée ayant ce rayon est appelée « horizon des événements ». Tout, que ce soit la lumière ou la matière passant cette frontière, sera à jamais perdu dans le trou noir sans aucune chance de s'échapper. Ce qui se passe au-delà de l'horizon des événements, personne ne peut le dire, car toutes les lois de la physique s'effondrent et ne s'appliquent plus. Il existe de nombreuses théories mais peu de preuves pour les étayer.

Les trous noirs ne sont pas visibles, car ils n'émettent aucun rayonnement électromagnétique * . Mais ils peuvent être détectés en raison de leurs effets sur les étoiles environnantes.

Dans un système d'étoiles binaires, Cygnus X-1, (où le primaire est une étoile normale d'environ 30 masses solaires) en raison des décalages Doppler du système, on pense qu'il existe un compagnon d'environ 10 à 15 masses solaires en orbite autour du primaire . Il y a des émissions de rayons X du système généralement associées à un « disque d'accrétion » (un disque de gaz chaud et dense de l'étoile primaire descendant en spirale dans l'objet compact en orbite autour du primaire). Il existe des preuves indiquant que les rayons X sont émis par le compagnon en orbite. En raison de la masse de l'objet compagnon, on pense qu'il s'agit d'un trou noir.

Les preuves de trous noirs s'accumulent, et on pense maintenant que la plupart des galaxies d'une taille suffisamment grande et peut-être la nôtre ont un trou noir en leur centre.

* On sait maintenant que les trous noirs émettent ce qu'on appelle le rayonnement de Hawking à travers un processus complexe. Des paires de particules virtuelles sont constamment créées près de l'horizon du trou noir, comme partout. Normalement, ils sont créés comme une paire particule-antiparticule et ils s'annihilent rapidement. Mais près de l'horizon d'un trou noir, il est possible que l'un tombe dedans avant que l'annihilation ne se produise, auquel cas l'autre s'échappe sous forme de rayonnement de Hawking.


Des scientifiques découvrent que la "collision de trou noir la plus lourde" pourrait être une fusion d'étoiles de boson (astronomie)

Une équipe internationale de scientifiques dirigée par l'Institut galicien de physique des hautes énergies et l'Université d'Aveiro, dont un étudiant de premier cycle du Département de physique de l'Université chinoise de Hong Kong (CUHK), a proposé la collision de deux objets compacts exotiques appelés étoiles à bosons comme explication alternative de l'origine du signal d'onde gravitationnelle GW190521. Les étoiles hypothétiques sont parmi les objets compacts exotiques les plus simples proposés et constituent des candidats à la matière noire bien fondés. Au sein de cette interprétation, l'équipe est en mesure d'estimer la masse d'une nouvelle particule constitutive de ces étoiles, un boson ultra-léger avec une masse des milliards de fois inférieure à celle de l'électron. Leur analyse a été publiée dans la revue Lettres d'examen physique le 24 février 2021.

L'équipe est co-dirigée par Dr Juan Calderón Bustillo, ancien professeur du Département de physique de CUHK et maintenant « La Caixa Junior Leader – Marie Curie Fellow », à l'Institut galicien de physique des hautes énergies, et Dr Nicolás Sanchis-Gual, chercheur postdoctoral à l'Université d'Aveiro et à l'Instituto Superior Técnico (Université de Lisbonne). D'autres collaborateurs sont venus de l'Université de Valence, de l'Université d'Aveiro et de l'Université Monash. Samson Hin Wai Leong, un étudiant de deuxième année à CUHK, a également participé.

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans le tissu de l'espace-temps qui se déplacent à la vitesse de la lumière. Prédits dans la théorie de la relativité générale d'Einstein, ils trouvent leur origine dans les événements les plus violents de l'Univers, apportant des informations sur leurs sources. Depuis 2015, les détecteurs avancés du Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) et de Virgo ont observé une cinquantaine de signaux d'ondes gravitationnelles provenant de la coalescence et de la fusion de deux des entités les plus mystérieuses de l'Univers : les trous noirs et les étoiles à neutrons.

En septembre 2020, LVC, l'organe conjoint de la collaboration scientifique LIGO et de la collaboration Virgo, a annoncé la détection du signal d'onde gravitationnelle GW190521. Selon l'analyse de LVC, dans laquelle le groupe CUHK dirigé par Professeur Tjonnie Li, professeur agrégé du département de physique du CUHK était profondément impliqué, le signal était cohérent avec la collision de deux trous noirs de 85 et 66 fois la masse du Soleil, qui a produit un dernier trou noir de 142 masse solaire. Ce dernier a été le premier membre jamais trouvé d'une nouvelle famille de trous noirs - les trous noirs de masse intermédiaire. Selon Professeur Tjonnie Li, cette découverte était d'une importance capitale car ces trous noirs ont longtemps été considérés comme le chaînon manquant entre les trous noirs de masse stellaire qui se forment à partir de l'effondrement des étoiles et les trous noirs supermassifs qui se cachent au centre de presque toutes les galaxies.

Malgré son importance, l'observation de GW190521 pose un énorme défi à la compréhension actuelle de l'évolution stellaire, car l'un des trous noirs fusionnés a une taille «interdite». L'explication alternative proposée par l'équipe apporte une nouvelle direction à l'étude. Dr Nicolás Sanchis-Gual a expliqué : « Les étoiles à bosons sont des objets presque aussi compacts que les trous noirs mais, contrairement à eux, elles n'ont pas de surface ou d'horizon des événements « sans retour ». Lorsqu'ils entrent en collision, ils forment une étoile à boson qui peut devenir instable, finir par s'effondrer en un trou noir et produire un signal cohérent avec ce que LVC a observé l'année dernière. Contrairement aux étoiles ordinaires, qui sont constituées de ce que nous appelons communément la matière, les étoiles à bosons sont constituées de bosons ultra-légers. Ces bosons sont l'un des candidats les plus attrayants pour constituer de la matière noire formant environ 27% de l'Univers.

L'équipe a comparé le signal GW190521 à des simulations informatiques de fusions d'étoiles à bosons et a constaté que celles-ci expliquaient en fait les données légèrement mieux que l'analyse menée par LVC. Le résultat implique que la source aurait des propriétés différentes de celles indiquées précédemment. Dr Juan Calderón Bustillo a déclaré : « Tout d'abord, nous ne parlerions plus de collision de trous noirs, ce qui élimine le problème de la gestion d'un trou noir interdit. Deuxièmement, parce que les fusions d'étoiles à bosons sont beaucoup plus faibles, nous en déduisons une distance beaucoup plus proche que celle estimée par LVC. Cela conduit à une masse beaucoup plus grande pour le trou noir final, d'environ 250 masses solaires, donc le fait que nous ayons assisté à la formation d'un trou noir de masse intermédiaire reste vrai. »

Professeur Toni Font, de l'Université de Valence et l'un des co-auteurs, a expliqué que même si l'analyse tend à favoriser « par conception » l'hypothèse de fusion des trous noirs, une fusion d'étoiles bosons est en fait légèrement préférée par les données, bien que dans un façon concluante. Bien que le cadre informatique des simulations actuelles d'étoiles à bosons soit encore assez limité et sujet à des améliorations majeures, l'équipe développera davantage un modèle plus évolué et étudiera des observations d'ondes gravitationnelles similaires sous l'hypothèse de fusion d'étoiles à bosons.

Selon un autre co-auteur, Professeur Carlos Herdeiro de l'Université d'Aveiro, la découverte implique non seulement la première observation d'étoiles à bosons, mais aussi celle de leur élément constitutif, une nouvelle particule connue sous le nom de boson ultra-léger. De tels bosons ultra-légers ont été proposés comme constituants de ce que nous appelons la matière noire. De plus, l'équipe peut réellement mesurer la masse de cette nouvelle particule de matière noire putative et une valeur de zéro est rejetée avec une grande confiance. Si cela est confirmé par l'analyse ultérieure de GW190521 et d'autres observations d'ondes gravitationnelles, le résultat fournirait la première preuve d'observation d'un candidat de matière noire longtemps recherché.

Samson Hin Wai Leong, un étudiant qui a rejoint le programme de stage d'été de recherche de premier cycle du CUHK a ajouté : « J'ai travaillé avec le professeur Calderón Bustillo sur la conception du logiciel de ce projet, qui a réussi à accélérer les calculs de l'étude, et finalement nous avons pu publier notre résultats immédiatement après que LVC a publié son analyse. C'est passionnant de travailler à la frontière de la physique avec l'équipe multiculturelle et de réfléchir à la recherche d'une origine « plus sombre » des ondulations dans l'espace-temps, tout en prouvant l'existence d'une particule de matière noire.

L'image sélectionnée: Représentation artistique d'une collision de deux étoiles à bosons, ainsi que des ondes gravitationnelles émises. Crédit photo : Nicolás Sanchis-Gual et Rocío García-Souto