Trou-Noir | Dr. Goulu

A combien tourne un trou noir ?

Sun, 10 Jul 2016 00:00:00 +0000

Simulation de trou noir de Schwarzschield par Alain Riazuelo. en 2008 (Cliquer pour le film)

Les trous noirs sont des objets extrêmement déroutants*. La plupart des explications “grand public” qui leur sont consacrés, y compris , se limitent à décrire un modèle de trou noir très simplifié : le , qui ne tourne pas sur lui-même. Un tel trou noir a un sphérique d’où aucun rayonnement ne peut sortir, et près duquel la lumière est très fortement déviée.

Le trou noir d’Interstellar tel que simulé par Kip Thorne en 2014 (cliquer pour plus d’infos)

Le trou noir d’ est aussi un “Schwarzschild”, même si lui a ajouté un de matière en orbite (dont la production a honteusement sabré une bonne partie du réalisme )

Les trous noirs de Schwarzschild sont virtuellement très beaux, mais en raison du théorème de la patineuse, ils n’existent probablement pas. Quand une étoile en fin de vie s’effondre, son diamètre se réduit énormément, beaucoup plus qu’une patineuse qui ramène ses bras lors d’une pirouette, et en vertu de la conservation du , sa vitesse de rotation accélère énormément. Même si la peut être très lente (le tourne sur lui même en 27 jours), après effondrement , parfois à plus de 100 tours par seconde !

Pour les trous noirs stellaires, souvent plus petits que les étoiles à neutrons, la rotation pourrait être plus élevée encore, des milliers de tours par seconde ! Or dans l’ , ils se passe des choses étranges quand les objets massifs tournent : ils “enroulent l’espace” autour d’eux. Ca s’appelle l’ et ça été mesuré expérimentalement autour de la Terre par le satellite , dont j’ai parlé dans . Autour de la Terre l’effet est minuscule mais autour d’une masse de dizaines de soleils tournant en quelques millisecondes, il est colossal.

Depuis 2012 a incorporé cet effet a ses simulations , et c’est aussi joli qu’étonnant:

Si Kip Thorne et l’équipe du film l’avaient vraiment voulu, ils auraient pu intégrer ce travail à “Interstellar” pour un trou noir encore plus réaliste. Mais ils n’ont pas voulu… Peut-être pour “Interstellar 2” ?

Coupe dun trou noir de Kerr d’après N. Rumiano

Le modèle relativiste d’un trou noir en rotation s’appelle le , et il apporte son lot d’étrangetés par rapport au trou noir de Schwarzschild. Par exemple dans l’ , l’espace s’enroule autour du trou noir si vite que même la lumière ne peut “remonter le courant”. Ou encore, il semblerait que l’existence de deux au lieu d’un seul permette d’imaginer des voyages dans des univers parallèles , mais ma maîtrise du ne me permet pas de parler valablement de ceci pour l’instant.

Mais j’ai tout de même compris quelque chose : si un trou noir de Kerr tourne trop vite, ses horizons devraient s’aplatir au point de laisser sa singularité apparaître “ ” dans l’espace “normal”. Et ça c’est interdit. Du moins on pense que ça l’est : a conjecturé que l’Univers n’autorise pas les et baptisé ceci très logiquement “ ”.

Si la censure cosmique est vraie, alors il existe une limite à la vitesse de rotation d’un trou noir, plus exactement son ne doit pas dépasser M2G/c . Si on intègre cette contrainte dans les simulations, on s’aperçoit qu’un trou noir éjecte de la matière lors de sa formation pour ne pas dépasser cette limite, et qu’il refuse obstinément d’absorber de la matière qui augmenterait son moment cinétique. Je n’ai pas trouvé par quel mécanisme, mais si c’était en , ceci expliquerait cela …

Mais qu’en est il en réalité ? Si on découvre un trou noir dépassant la limite, on pourrait peut être observer sa singularité un jour ! Et si on n’en trouve aucun, mais beaucoup proches de la limite, c’est que la est vraie…

Yapluka mesurer la vitesse de rotation d’un tout petit objet totalement invisible à des centaines, milliers, voire millions d’années lumière de distance. Et à ma grande surprise, on sait faire ça ! On utilise le fait que le bord interne du disque d’accrétion est d’autant plus proche de l’horizon du trou noir que celui-ci tourne vite.

Et on peut mesurer le diamètre du bord intérieur par plusieurs méthodes dont la “fluorescence du fer” : excités par les rayons X du disque ultra chaud, les atomes de fer présents dans le disque émettent une raie à 6.4 keV dont on observe l’étalement du spectre du à l’effet Doppler, d’où on peut tirer le diamètre intérieur du disque.

Credit: Mitsuda

C’est comme ça qu’en 2006, on a démontré que le trou noir stellaire situé à 35900 années lumière tourne à plus de 1100 tours par seconde (wow!) ce qui correspond à 98% de la limite de censure cosmique

Plus récemment, c’est le au centre de la galaxie qui a été mesuré à sa limite de vitesse également , . Comme ce monstre pèse 2 millions de masses solaires, ce n’est pas sa vitesse angulaire qui impressionne, mais peut-être plus la vitesse tangentielle de son horizon : 84% de la vitesse de la lumière !

Comme le dit Fraser Cain à la fin de son article , l’Univers est vraiment un endroit fou. J’ajouterais qu’il est très probablement pudique.

Notes: * je pensais évidemment écrire “troublants” mais j’ai eu honte… ** cet article a été motivé par de à laquelle j’ai assisté l’an passé, suite à laquelle j’ai échangé quelques mails avec Alain Riazuelo.

Références

Robbie Gonzales “ ”, 2015, io9
Alain Riazuelo “ ”, 2012
N. Rumiano “A l’intérieur d’un trou noir” ( et )
" sur Strong Gravity
E. H. Morgan, R. A. Remillard & J. Greiner, “ ", 1997, The Astrophysical Journal, Volume 482, Number 2, DOI:
Fraser Cain “ ”, 2015 sur UniverseToday et
G. Risaliti, F. A. Harrison et al. “ ”, Nature doi:10.1038/nature11938
Jean-Pierre Luminet “ ”, 1998, in Black Holes : Theory and Observation, Eds. F. Hehl, C. Kiefer, R. Metzler, Springer Verlag, Lecture Notes in Physics, pp. 3-36. DOI ,

Y'a-t-il des trous noirs dans la mer ?

Sat, 05 Oct 2013 00:00:00 +0000

Règle pour le journalisme scientifique : si votre article peut être résumé par "Non", ne l’écrivez pas.

Voici un article que je ne devrais pas écrire, en vertu de la illustrée ci-contre.

Ce qui m’y force, ce sont articles intitulés “ ", “ “m pour les plus radicaux, ou “ ”, “ ” pour les légèrement plus prudents.

A l’origine de tous ces mauvais articles d’over-vulgarisation on trouve un “Chasing the black holes of the ocean”, que n’importe quel débutant en anglais traduira par “A la chasse aux trous noirs de l’océan”, et certainement pas par “… dans l’océan”. Donc NON, il n’y a pas de trous noirs dans la mer, mais à la rigueur un phénomène analogue. A ce sujet, le résumé du communiqué de presse est assez clair :

Selon des chercheurs de l’ETH Zurich et l’Université de Miami, certains des plus grands tourbillons océaniques de la planète sont mathématiquement équivalents aux trous noirs mystérieux de l’espace. Ces tourbillons sont si étroitement protégés par des chemins d’eau circulaires que rien de ce qu’ils capturent ne leur échappe.

Donc selon le communiqué, l’analogie découverte entre tourbillons et trous noirs n’est que mathématique, mais tout de même une équivalence mathématique entre deux phénomènes physiques si distincts serait effectivement sacrément étonnante et importante. Mais ce communiqué est mauvais aussi, car tant son titre que son résumé dénaturent eux aussi les travaux mentionnés.

Car l’article original

\[1\]

n’établit en réalité qu’une “interprétation géométrique attrayante” du fait qu’il existe à la surface de l’eau (donc en 2D) autour d’un tourbillon une trajectoire sur laquelle les objets flottants décrivent des trajectoires fermées. En exprimant le d’une masse d’eau océanique en rotation en termes d’énergie, les auteurs tombent sur une qui les fait assimiler la trajectoire fermée à une “sphère de photons” (donc 3D) autour d’un trou noir. Rien de plus : aucune “équivalence” n’existe du point de vue physique, surtout pas à l’intérieur de cette limite.

Et c’est très dommage, parce que si l’ “équivalence” affirmée par le communiqué de presse était réelle, on aurait pu étudier à partir des bouteilles à la mer retrouvées dans les tourbillons :-D

En passant, l’ “interprétation géométrique attrayante” compare un tourbillon qui tourne à un qui ne tourne pas et n’existe donc probablement pas. Un vrai trou noir est au moins un , qui tourne et possède un bien plus complexe que la “sphère de photons”.

De plus, les auteurs ne prétendent absolument pas que ces tourbillons océaniques “aspirent” quoi que ce soit. En fait l’article concerne le “transport lagrangien” de chaleur dans le cadre des modèles climatiques océaniques. Ces “tourbillons lagrangiens” restent “cohérents” en se déplaçant sur de grandes distances dans l’océan, c’est-à-dire que l’eau qui circulent à l’intérieur de leur “sphère de photons” n’a que peu d’échanges thermiques avec l’extérieur. (Ils n’ont pas osé la comparaison avec le …)

A mon humble avis, la petite similitude mathématiques aurait mérité une phrase dans l’article, éventuellement un paragraphe, mais sa présence dans l’abstract et même le titre de l’article sent plutôt la recherche du buzz, qui touche même le monde de la publication scientifique.

Un tourbillon de 100km de diamètre détecté par Terra dans le courant des Aiguilles de l’Océan Indien (Image "Celestial Convergence")

Pourtant, le résultat principal de l’article est de grande valeur : leur méthode permet de détecter de tels tourbillons par des satellites comme et de suivre leur déplacement dans l’océan jusqu’au moment ou leur disparition (inexplicable par l’analogie avec un trou noir) provoque le mélange de l’eau transportée par le tourbillon avec l’eau environnante. Et ça, c’est vraiment très fort.

Référence:

\[altmetric doi="10.1017/jfm.2013.391" float="right"\]

1. Haller, G., & Beron-Vera, F. J (2013). Coherent Lagrangian vortices: The black holes of turbulence Journal of Fluid Mechanics, 731 DOI: + )

Trous noirs, helium, langues etc.

Thu, 27 Sep 2012 00:00:00 +0000

Si vous n’êtes pas abonné, le numéro de d’octobre vaut une visite chez votre marchand de journaux.

Deux articles ont particulièrement retenu mon attention parce qu’ils traitent de sujets déjà abordés ici :

dans “ ”, Caleb Scharf confirme que les trous noirs supermassifs sont des “ ” (en 2008, j’avais ajouté un ?) effectuant un “ ”. Il s’avère qu’en éjectant de la matière très loin, ils régulent la formation des étoiles dans leur galaxie. D’après l’auteur, si notre système solaire est si agréable à vivre, c’est entre autres car le ne produit ni trop, ni pas assez d’étoiles.
dans “ ”, Christian Giannese répond à “ ” par “plus beaucoup”. En particulier l’He 3 devient rarissime et très cher.

Sinon, j’ai enfin compris pourquoi les espagnols parlent plus vite que les allemands. Les auteurs de “ ”, comparent le débit syllabique et la transmise par chaque syllabe en plusieurs langues. Ils arrivent à la conclusion peu surprenante que toutes les langues permettent le même débit d’information mais par des compromis différents entre ces deux composantes.

Là je suis plongé pour la deuxième fois dans “ ”, qui présente une version moderne du fameux “ ”. La première lecture n’a pas déclenché de “haha” de compréhension immédiate, mais l’idée de calculer des probabilités avec des graphes est assez excitante pour m’y replonger.

Voilà largement de quoi rentabiliser l’achat de ce numéro, sans compter ceux qu’il me reste à lire comme celui de Jean-Paul Delahaye sur et celui de mes (qui ne bloguent plus beaucoup hélas…) sur les torches à plasma.

En prime vous trouverez dans le numéro des lunettes 3D pour regarder certaines illustrations en “relief” , mais là je n’ai pas été emballé. Franchement : des , en 2012… Et noir/blanc en plus …

Un trou noir lance des boules de gaz

Sun, 15 Jan 2012 00:00:00 +0000

Vue d

Pour le public les trous noirs sont toujours des monstres dévorant inexorablement la matière qui les approche, alors que depuis les années 1970 les scientifiques savent que certains qui envoient des quantités importantes de matière très loin dans l’espace à des vitesses relativistes, voire supraluminiques en apparence. Aujourd’hui certains astrophysiciens vont jusqu’à suggérer que les trous noirs géants siégeant dans le noyau actif des galaxies absorbent moins d’étoiles qu’ils n’en immédiat et indirectement par .

Toutefois, le mécanisme qui transforme le disque d’accrétion de matière tournant autour de l’équateur en jets émis par ses pôles est encore trop mal connu, en partie parce que tout ceci se passe dans les environs immédiats des trous noirs qui sont, , très petits. Ainsi , le trou noir central de notre Voie Lactée, émet du rayonnement depuis une zone qui tiendrait dans l’orbite de la Terre autour du Soleil. Mais il est situé à environ 26000 années-lumière, trop loin pour qu’on puisse distinguer ce qui s’y passe en détail, et mal orienté puisque nous nous trouvons à peu près dans le même plan que son équateur. En plus, il ne semble pas “actif” à manger des étoiles très souvent.

C’est pourquoi on étudie avec attention les systèmes “ ", des systèmes doubles dans lesquels une étoile tourne autour d’un trou noir stellaire (ou d’une étoile à neutrons), et plus particulièrement les “ ", qui émettent des jets. On en connait une bonne vingtaine dont le célèbre , le premier trou noir identifié comme tel en 1971, situé à 6000 années-lumière “seulement”. Bien que les trous noirs stellaires soient encore plus petits que ceux occupant le centre des galaxies, l’observation est facilitée par le fait que les deux astres se tournent autour en quelques dizaines d’heures, l’un aspirant le gaz de l’autre en quasi continu.

C’est justement une discontinuité de ce transfert qui vient d’être observée dans le système poétiquement nommé H1743-322 conjointement par le satellite de la NASA et le au sol , :

(Cliquer pour agrandir)

Le 28 mai 2009, “quelque chose” tournait 0.9 fois par seconde autour du trou noir, puis ce pic d’émission dans les rayons X s’est progressivement décalé à 1.3 Hz le 30 mai et 3.5 Hz le 2 juin. Imaginez que le “quelque chose” soit un grumeau de gaz peut-être de la masse de la Lune qui se mette à tourner 4 fois par seconde autour d’un trou noir de la taille de la Terre, pour vous faire une idée…

Et le 5 juin, plus rien ne tourne. Par contre le VLBA observe un accroissement des émissions radio de l’ensemble, et le 6 on voit distinctement deux paquets s’éloigner à la colossale vitesse de 0.25 c dans des directions opposées, perpendiculaires au plan de l’écliptique. Au lieu d’être absorbé par le trou noir, il en a éjecté une partie importante.

Combien ? Comment ? Les données recueillies sur H1743-322 vont certainement améliorer nos connaissance sur les trous noirs et sur les phénomènes physiques entourant la production de ces incroyables jets.

Références

, , AIM - Astrophysique Interactions Multi-échelles, Université Paris 7 Denis Diderot
sur MaxiSciences
“ ” L’Astronomie Vol 117 - Sept 2003

Selon Newton, l'univers serait discret

Sat, 13 Aug 2011 00:00:00 +0000

"An experimental sonic black hole" par "E8 Album HQR Initiative" sur flickr.com

C’est du moins ce qu’illustre Jarmo Mäkelä dans son essai “Is Reality Digital or Analog?” qui a remporté le premier dont il y a quelques mois.

Le texte commence comme une petite nouvelle de S.-F. : le narrateur rêve de rencontrer Sir Isaac Newton après lui avoir envoyé quelques livres et articles sur la physique contemporaine, et il trouve le lendemain une invitation à rencontrer le célèbre physicien le 18 novembre 1700 à Londres, à 3 PM. Ne souhaitant pas “ennuyer le lecteur avec une description détaillée de la manière dont il s’est rendu au rendez-vous”, Mäkelä passe à un compte-rendu de sa rencontre avec Newton, auquel il demande sans ambages : “Alors, la réalité est-elle digitale ou analogique?”. Newton répond sans hésitation “Digital, of course.” - “Comment le savez-vous?” - “Parce que je l’ai calculé.”

Suivent deux pages de vulgarisation très bien faites sur la relativité et la mécanique quantique pour arriver au résultat sur lequel Newton base son calcul : l’ prédite par Stephen Hawking. Les trois pages suivantes sont consacrées à la physique des trous noirs. Elles sont nettement plus techniques et décorées de quelques formules susceptibles d’effrayer les non matheux, mais l’argumentation peut être suivie grâce au texte du dialogue entre les deux physiciens.

En résumé, un trou noir a une masse finie, une finie et la surface de son est elle aussi finie. Pourtant le calcul de la d’un trou noir conduit à des fonctions divergentes qui n’ont pas de réalité physique, à moins de considérer que la surface de l’horizon des événements est constituée d’une somme (finie) de surfaces minuscules. Et puisque l’horizon des événements appartient à l’espace-temps “normal”, alors toute surface dans l’espace-temps “normal” doit être discrète.

une brique d’espace-temps ?

A la fin de son essai, Mäkelä va encore plus loin : à l’ où les notions de distance, de temps et de causalité n’ont plus de sens, son Newton propose de substituer un sorte de “surface de Planck”. Il explique que dans l’espace temps, l’analogue du tétraèdre (4 sommets, 6 arètes, 4 triangles) est un “4- ” appelé aussi ". Cet objet a 5 sommets, et 10 arêtes qui forment aussi 10 triangles, ce qui permet exprimer la longueur des arêtes en fonction de la surface des triangles aussi bien que la surface des triangles en fonction de la longueur des arêtes. Dans un espace-temps découpé en “pentatopes”, les notions de distance et de surface sont interchangeables !

Après cette rencontre extraordinaire, Newton remet à son visiteur temporel un papier intitulé “La théorie complète de la ” à publier au XXIème siècle, mais au moment d’en découvrir l’équation fondamentale, le narrateur se réveille dans son lit…

Je le dis tout net, l’essai de Jarmo Mäkelä est un chef-d’oeuvre. Je n’ai pas la compétence d’en juger la valeur purement scientifique (voir les nombreux à son article si ça vous intéresse), mais du point de vue de la littérature scientifique, c’est une magnifique combinaison de fiction, de vulgarisation et de pédagogie sur un sujet aussi pointu que fondamental. Vous lisez l’anglais ? Alors lisez !

Note: titre changé le 8.8.18 de “… digital” en “… discret” car effectivement plus clair en français

Références:

Jarmo Mäkelä, “ ”, FQXi 2011
George Musser “ ” sur le blog Scientific American
" " sur Zone-Reflex

Recyclage galactique

Wed, 04 Feb 2009 00:00:00 +0000

Si vous croyez toujours qu’une galaxie n’est qu’un disque d’étoiles qui tournent autour d’un trou noir supermassif qui les avale une à une, regardez cette image :

la galaxie NGC 5128 et ses lobes de gaz éjectés par son trou noir central

est une galaxie assez proche (15 millions d’années lumière), bien visible dans l’optique mais aussi dans les fréquences radio. Elle se classe donc dans les “ ” sous le nom de “Centaurus A”. On savait déjà que l’émission d’ondes radio de ces galaxies, qui peut atteindre une puissance de 10^39 Watts (!!!) est provoquée par les , plus exactement par leur rencontre brutale avec le gaz très diffus qui entoure les galaxies.

L’image ci-dessus combine en fait des mesures faites avec 3 instruments différents dans 3 domaines du spectre électromagnétique:

l’image optique vient du au Chili
les zones oranges correspondent aux ondes radio submilimétriques mesurées par le au Chili aussi
le rayonnement X, représenté en bleu, a été mesuré par le

On y distingue les jets du trou noir, en particulier celui en haut à gauche, dont on a mesuré la longueur (13'000 années lumière) et la vitesse initiale (c/2). Mais on voit aussi que les jets ne sont pas infinis : ils créent des ondes de choc et des volutes de gaz, qui ne peuvent rien faire d’autre que retomber lentement dans le disque galactique pour y être recyclées en étoiles fraiches dans quelques millions d’années.

Cette magnifique preuve supplémentaire que les est promue ipso facto non seulement au rang d’ “ ” mais à celui de “fond d’écran du mois” par votre serviteur.

Inventaire des Croix du Ciel.

Sat, 17 Jan 2009 00:00:00 +0000

Cet article multipack regroupe deux sujets intéressants, et un qui sert juste à rendre l’inventaire exhaustif. Commençons par celui-là:

La Croix du Sud, et celle du Nord

Deux constellations ont “une forme de croix” :

la permet de repérer le Sud approximatif si vous êtes perdus la nuit dans le désert australien, ou sur un voilier retourné au Cap Horn.
Dans l’hémisphère Nord, on appelle parfois “Croix du Nord” la constellation du , une belle croix bien visible dans le ciel d’été hébergeant plusieurs nébuleuses intéressantes et faciles à observer, comme la dont j’ai déjà causé

mais ce dont je voulais principalement parler c’est…

Pourquoi les étoiles brillantes ont une forme de croix sur les photos astronomiques.

Les étoiles sont tellement éloignées qu’à part le Soleil, elles nous apparaissent toutes comme des points. Il n’y a que les qui apparaissent comme de vagues petites boules de quelques pixels sur les images des plus puissants télescopes. Mais alors pourquoi voit-on de grosses étoiles brillantes ornées de jolis “rayons” en forme de croix sur les photos astronomiques comme celle-ci :

Grand Nuage de Magellan photographié par Hubble.

C’est la faute de la , ou plutôt des inévitables imperfections optiques des instruments d’observation qui causent ce .

Sur un télescope, c’est principalement “l’araignée” composée des tiges fixant le miroir secondaire qui causent les “aigrettes”, ces lignes formant une croix parfaite. Cet effet peut être parfois utile, par exemple pour détecter des étoiles doubles, mais il est souvent néfaste, en particulier lorsque les pourraient masquer des objets moins lumineux.

En observant les étoiles avec une lunette astronomique, composée de lentilles et non de miroirs, les étoiles n’ont en principe pas d’aigrettes. Certains amateurs trouvent ça dommage et ajoutent des fils de pêche croisés devant leur instrument pour .

A l’inverse, certains tentent d’ en cachant l’araignée avec des masques bien pensés, mais ils créent inévitablement d’autres effets de diffraction comme l’agrandissement de la tache constituant l’image de l’étoile.

Car même sans aigrettes, c’est toujours la diffraction qui transforme les points lumineux que sont les étoiles en taches lumineuses de tailles variables sur les photos astronomiques : la moindre imperfection, la plus petite poussière sur le miroir cause de la diffraction. Et même avec un instrument parfait, une étoile lumineuse ne sera jamais un point car le simple fait que la taille de l’instrument soit limitée cause de la diffraction. En effet, le des instruments optiques dépend de l’ouverture de leur objectif.

Pour faire des télescopes encore plus grands (sujet d’un prochain article), on assemble plusieurs miroirs hexagonaux, ou on combine plusieurs télescopes distants de dizaines de mètres. De nouvelles figures de diffraction vont en résulter, avec des étoiles à 6,8,12 branches voire plus.

La Croix d’Einstein

Autre phénomène physique créant une croix dans notre ciel : la .

La présence d’une masse importante entre un objet lumineux très éloigné et nous forme une gigantesque loupe naturelle, mais d’une piètre qualité : l’objet distant nous apparait fortement déformé, copié à de multiples exemplaires sur un motif en forme d’anneau dit “ ” en l’honneur du Suisse qui que les rayons lumineux sont déviés par des masses, entre autres choses…

Une galaxie avec un noyau un peu bizarre …

Dans le cas particulier ci-dessus, une galaxie se trouve pile dans l’axe d’un très lointain, dont l’image se retrouve en 4 exemplaires autour du noyau de la galaxie, formant une magnifique “Croix d’Einstein”

Récemment, une équipe Suisso-Germano-Etatsunienne

\[3\]

a combiné des images de la Croix d’Einstein observée pendant 3 ans pour tenir compte de la rotation de la galaxie, et de celles de la Terre autour du Soleil, qui causent de petites variations par “microlensing” de la Croix résultant du “macrolensing”. Le principe est expliqué dans cette vidéo :

\[youtube tTLqlgFOxcU\]

mais la qualité n’est pas terrible, téléchargez plutôt le film en HD directement depuis le .

Le résultat c’est qu’ils ont réussi à prouver que le quasar fait moins de quelques jours-lumière de diamètre, ce qui est compatible avec un . Donc cette lentille gravitationnelle nous permet de “voir” avec une résolution d’un jour lumière un objet distant de 10 milliards d’années lumière. Il suffit d’une division pour obtenir la résolution de l’instrument : 3.10^-13 radians. C’est mille fois mieux que le meilleur télescope existant. Mais moins maniable, c’est vrai.

Sources:

Philippe Boeuf “ ”
Dante Bissiri “ ”
“ ”, news EPFL, 15 décembre 2008
“ ” sur Techno Science, 29 décembre 2008

Voir aussi “ ”, une collection d’applets Java illustrant la diffraction et d’autres phénomènes, par l’Université du Mans

Voyage au coeur d'un trou noir

Thu, 09 Oct 2008 00:00:00 +0000

Alain Riazuelo est astrophysicien à Paris et il a eu l’excellente idée (et les moyens) de simuler ce qu’un observateur verrait en s’approchant d’un trou noir, puis en plongeant dedans. Ainsi est né le film “Voyage au coeur d’un trou noir” dont voici un petit extrait :

La simulation est d’excellente qualité visuelle, la seule critique que je me permet d’émettre concerne le réalisme : les trous noirs tournent, et même très vite, ce qui engendre des effets qui ne sont pas représentés dans cette simulation. De plus, ils sont souvent entourés d’un disque d’accrétion et d’autres phénomènes très violents qui seraient très intéressant de visualiser, peut-être dans une suite (Le retour de la vengeance du trou noir …)

Le commentaire du film est très didactique, comme on le constate dès le début visible . Au total, il dure 38 minutes et il est disponible sur un DVD à prix très modique (3€90) auprès de Sciences et Avenir ( )

Liens:

sa donnée au Laboratoire d’Annecy de Physique des Particules en novembre 2007 (pdf, 34 Mo).

Les trous noirs : des moteurs de l'Univers ?

Sat, 06 Sep 2008 00:00:00 +0000

Dans l’imaginaire collectif alimenté par les mauvais films de SF, les trous noirs sont des monstres qui avalent tout ce qui les entoure. En fait, ils recyclent, transforment et éjectent probablement beaucoup plus de matière qu’ils n’en absorbent.

Rappelons tout d’abord que les trous noirs sont des “astres” tellement massifs que même la lumière ne peut s’en échapper. Il en a trois familles:

les trous noirs stellaires, formés à la fin de la vie d’une étoile massive. Ils pèsent comme plusieurs soleils
les trous noirs “supermassifs” qui siègent au centre de la plupart des galaxies, voire toutes .
c’est tout. Les minis trous noirs qui n’existent pas ;-)

Concentrons-nous sur les premiers en supposant que d’un coup de baguette magique, le Soleil se transforme en trou noir là, maintenant, sous nos yeux ébahis. Ca ne peut pas arriver, mais imaginons. Que se passerait-il ?

Evidemment, il ne brillerait plus, et ce serait bien ennuyeux. Mais la bonne nouvelle c’est qu’il n’avalerait pas la Terre, car sa masse serait toujours la même, simplement il ne serait plus qu’un point au centre du Soleil actuel. Sa force d’attraction resterait pratiquement la même, donc la Terre, Mars, Vénus et toutes les autres planètes continueraient gentiment de lui tourner autour sur leurs orbites respectives.

Pas un désintégrateur

Qu’est-ce qui pourrait tomber dans le trou noir alors ? Pas grand chose. Actuellement le Soleil a un diamètre de 1.4 millions de kilomètres et il arrive assez fréquemment qu’une comète, un astéroïde ou des petits cailloux se vaporisent en l’approchant de trop près. Mais une fois “trounoirisé”, il faudrait que ces projectiles arrivent tout droit dans une cible de moins de 10 km de diamètre pour être agglomérés au trou noir : aucune chance.

En réalité c’est plus compliqué. Plus haut, j’ai dit que la force d’attraction resterait “pratiquement” la même, parce qu’en passant d’un diamètre de 1.4 millions de kilomètres à moins de 10 km, la rotation du Soleil accélèrerait monstreusement, et c’est un euphémisme. Au lieu d’une rotation en 26 jours, le Soleil trounoirisé pirouetterait plusieurs centaines de fois par seconde, devenant une sorte de fraise de dentiste stellaire, enroulant littéralement l’espace alentour :

Donc pour tomber dans le trou noir, la matière doit arriver “tout droit à côté”, selon des géodésiques comme celle tracée en rouge sur la figure. Un petit écart et la matière, sera éjectée à une vitesse prodigieuse sur une orbite totalement aberrante selon les lois de la mécanique classique. Mais au passage, elle sera broyée menu par les “forces de marée”.

Générateurs de gaz

A 100 km de notre trou noir, la force d’attraction est titanesque : 13 milliards de Newtons sur une masse de 1kg ! de quoi l’accélérer 0 à 100 km/h en 2 milliardièmes de secondes, et à près de la vitesse de la lumière en 23 millièmes de seconde chrono. Mais 1 mètre plus loin, à 100.001 km, l’attraction est inférieure de 265 KN. Donc une barre d’acier trempé qui passerait par inadvertance à une distance relativement confortable du trou noir serait étirée et transformée en kilomètres de fil à couper le beurre en une milliseconde, et en atomes de fers relativistes une fraction de seconde plus tard.

Les choses deviennent plus intéressantes si un trou noir traverse un nuage de gaz : là, en tombant en spirale vers le trou noir, les atomes accélérés à des vitesses fantastiques vont s’entrechoquer, se freiner mutuellement dans un plasma visqueux qui tourne autour du trou en formant un “disque d’accrétion”. Ce sont ces disques d’accrétion, très lumineux particulièrement dans les rayons X, qui permettent de détecter directement les trous noirs.

Petit à petit, comme l’eau de la baignoire qui se vide, la matière du disque d’accrétion devrait tomber peu à peu dans le trou. Mais une fois encore, ce n’est pas si simple.

D’abord, les étoiles ont des champs magnétiques, et lorsqu’une étoile s’effondre, son champ devient incroyablement puissant et forme une sorte dynamo qui éjecte dans l’espace des de gaz par ses pôles nord et sud. Les trous noirs supermassifs émettent ainsi de la matière à des distances prodigieuses, recyclant de la matière depuis le centre des galaxies vers leur périphérie, comme on le voit bien sur les clichés récents de

Générateurs d’étoiles

D’autre part, selon des simulations récentes, des grumeaux peuvent se former en bordure des disques d’accrétion et se retrouver éjectés, formant des étoiles massives, qui ne vivent pas très longtemps

Bien sur, une simulation peut être tès jolie mais simuler des phénomènes inexistants, mais là ça tombe plutôt bien : autour du centre de la galaxie d’Andromède toute proche, on a détecté un anneau d’étoiles massives jeunes, et autour du centre de notre propre Galaxie aussi, il y a beaucoup plus d’étoiles jeunes que la normale….

Conclusion

En quelques années, on est passés de l’idée étonnante qu’il pouvait peut-être y avoir des trous noirs au centre de quelques galaxies à celle que les galaxies se sont probablement formées autour des trous noirs supermassifs. Désormais, ces objets fascinants apparaissent comme des moteurs de l’univers d’une puissance fantastique, bien plus recycleurs qu’aspirateurs.

Références

Rachel Courtland “ ”, NewScientist.com, 21 August 2008
I. A. Bonnell, W. K. M. Rice “Star Formation Around Supermassive Black Holes”, Science 22 Aug 2008: Vol. 321, Issue 5892, pp. 1060-1062 DOI:
David L Chandler “ ”, NewScientist.com 20 September 2005
Didier Jamet “ ”, Ciel des hommes, 29-01-2002
Jonathan Ferreira “ ”, cours de Magistère et Maîtrise de Physique, OBSERVATOIRE DE GRENOBLE, LABORATOIRE D’ASTROPHYSIQUE, UNIVERSITE JOSEPH FOURIER, Novembre 2000

Monstre de Spaghetti Galactique

Sat, 23 Aug 2008 00:00:00 +0000

NGC 1275 est la galaxie spirale bleue que vous distinguez au centre de cette photo prise par le télescope spatial Hubble. Les filaments rouges mesurent chacun dans les 20'000 années-lumières de long et 200 de diamètre, et contiennent chacun environ 1 million de masses solaires de gaz tellement chaud (des millions de degrés) qu’il émet des rayons X.

La grande question était de savoir ce qui émet ces jets, les chauffe et maintient dans ces formes tentaculaires qui les empêche de retomber sur la galaxie.

Une équipe de l’Université de Cambridge a montré que c’est le trou noir supermassif au centre de NGC 1275 qui la matière qui s’approche trop non pas sous forme de , mais sous forme de “bulles” qui sont ensuite déformées et maintenues sous forme de filaments par les champs magnétiques du trou noir.

Mais tant de puissance et de beauté font que certains entrevoient une ..

sources : et

La densité des trous noirs

Fri, 20 Jun 2008 00:00:00 +0000

Black hole on Earth, par Revilla sur flickr

A la fin de sa vie, une étoile s’éteint et s’effondre sur elle-même : en quelques minutes, la gravité compacte sa matière en une sphère de plus en plus dense, jusqu’à une limite qui ne dépend que de la masse de l’étoile:

si l’étoile résiduelle* pèse moins de 1.4 x la masse du Soleil, elle devient une : ses atomes (pratiquement que du carbone) sont serrés les uns contre les autres au maximum permis par la physique. Un jour, le Soleil deviendra une naine blanche approximativement de la taille de la Terre, et sa densité sera d’environ 1 tonne / cm3. Pas mal.
si l’étoile résiduelle* pèse plus de 1.4 masses solaires au stade précédent, la gravité écrase ses atomes, et les protons des noyaux deviennent des neutrons quand les électrons coincés les touchent : il ne reste qu’une boule de neutrons incroyablement serrés les uns contre les autres, de 20 à 40 kilomètres de diamètre seulement, et d’une densité d’un milliard de tonnes / cm3. C’est vraiment dense, une .
s’il y a plus de 3.3 masses solaires résiduelles* de neutrons (il faut une étoile initiale d’environ 10 masses solaires), la gravité écrabouille les neutrons, en fait de la purée de quarks comprimée, qui s’effondre jusqu’à former un .

Le terme de “trou noir” désigne fondamentalement un objet générant une gravité si forte que même la lumière ne peut s’en échapper, mais ceci recouvre deux notions :

l’ “objet” lui-même, qui doit être extrêmement lourd ou dense pour générer un champ de gravité intense. Or en théorie, la purée de quarks peut s’effondrer en se comprimant indéfiniment, jusqu’à la taille d’un point infinitésimal baptisé .
la zone de l’espace d’où la lumière ne peut pas sortir, donné par le qui définit l’ “horizon des événements” du trou noir, à l’intérieur duquel on ne peut rien voir. Or ce rayon est directement proportionnel à la masse de l’“objet” et la constante de proportionnalité vaut environ 3km par masse solaire, ce qui fait que le plus petit trou noir stellaire possible a un rayon de Schwarzchild de 10km environ.

Donc la notion de densité d’un trou noir dépend de quoi on parle : la densité de la singularité est par définition infinie, mais si l’on considère la densité moyenne à l’intérieur du rayon de Schwartzchild, elle n’est “que” de 1.75 milliards de tonnes / cm3 pour le plus petit trou noir stellaire possible, pas beaucoup plus dense qu’une étoile à neutrons.

Là où ça devient intéressant, c’est que les trous noirs plus massifs ont une densité moyenne plus faible car le volume “noir” augmente comme le cube de la masse. Le pèse 2.6 millions de masses solaires, ce qui lui donne un rayon de 7.7 millions de km (seulement 10x plus gros que le Soleil, donc !).

Un petit calcul et hop : la densité moyenne du centre de notre galaxie est de 2.8 kg/cm3. Oui, des kilos, pas des tonnes. Et , qui fait 100 millions de masses solaires ? Re petit calcul et hop : 295 millions de km de rayon, 2 grammes par cm3, juste le double de celle de l’eau ! Et il y a des trous noirs encore plus gros.

Petit intermède publicitaire : cet article aurait été encore plus inexact sans , la calculatrice gratuite pour PC, Mac et pingouin. Dotée de plein de fonctions utiles et de constantes aussi indispensables que la masse et le rayon du soleil, est la calculatrice qu’il vous faut !

Pour , calculons le rayon de Schwartzschild d’un soi-disant “trou noir” (avec guillemets) produit par le choc frontal de deux protons dans le . Il a une masse de 14 protons, soit 4,7.10-50 masses solaires (d’où les guillemets plus haut…) ce qui donne un “rayon de Schwartzchild” de 1,4.10-46m. C’est petit. Tellement petit que c’est environ 1'000'000'000'000'000'000'000'000'000'000 x plus petit que les protons qui se téléscopent… En fait, il n’est même pas permis d’être si petit, car c’est plus petit de la . Mais une chose est sure : un objet aussi dense que vous voulez, mais plus grand que son rayon de Schwartzchild n’est pas un trou noir.

Maintenant, on est d’accord sur une chose : la collision de protons si rapides peut créer une densité localement élevée. 14 masses de proton dans 1/10ème de volume de proton, ça donne à peu près 140x la densité d’une étoile à neutrons, soit effectivement une densité qui ne se rencontre nulle part dans l’Univers actuel. Mais ce n’est pas la densité qui fait le trou noir, c’est la masse, et la taille du rayon de Schwartzchild qui va avec.

Note* : les mots “résiduels” ont été ajoutés suite au commentaire de Guillaume pour bien distinguer de la masse initiale de l’étoile “normale”, qui est nettement plus élevée avant son passage en supernova.

Les jets des trous noirs

Sat, 03 May 2008 00:00:00 +0000

Les trous noirs sont très noirs : aucune lumière ne peut en sortir. En plus ils sont très petits, ce qui empêche définitivement de les “voir” avec un télescope. Par contre les phénomènes cataclysmiques qu’ils produisent dans leur voisinage dégagent une énergie colossale qui trahit leur présence sans doute possible. Il y a d’une part le disque d’accrétion dont j’ai déjà parlé et , et d’autre par les “jets”, que l’on est en train de comprendre un peu mieux.

A l’origine, ce sont des photos comme celle du centre de la galaxie M87 ci-contre qui ont révélé des jets de plasma très chaud émis à 99% de la vitesse de la lumière par le centre de plusieurs galaxies, perpendiculairement à leur plan de rotation.

La violence du phénomène ne laisse aucun doute sur l’origine, mais le fait demeure, paradoxal : les trous noirs sont capables d’émettre de la matière dans l’espace, probablement en quantités beaucoup plus importantes que celle qu’ils absorbent.

En 1977 déjà, Blandford et Znajek ont proposé un mécanisme expliquant l’émission de ces jets : la matière du disque d’accrétion tombant en spirale vers le trou noir serait déviée par le champ magnétique de celui-ci, qui serait enroulé sur lui-même au point de former une gigantesque dynamo qui accélèrerait la matière sur des lignes de champ hélicoïdales qui s’échappent par les pôles du trou noir. Leur théorie prédit qu’il devrait y avoir un “noeud” à une certaine distance de l’émission ou le jet serait focalisé avant de poursuivre son chemin dans l’Univers. Cette magnifique théorie est illustrée par l’image ci-dessous (cliquer pour agrandir):

Si vous me conaissez, vous m’avez vu venir : oui, la théorie vient d’être vérifiée grâce à sa prédiction : en observant une bouffée de particules progressant le long du jet de BL Lacertae (BL Lac à 950 millios d’années lumière) pendant plusieurs années, Alan Marscher de l’université de Boston a observé qu’elle a émis plus de lumière, de rayons X et de rayons gamma exactement à la position du noeud prévu : CQFD.

L’image ci-dessus et la vidéo correspondante ci-dessous sont réalisées par , un astronome mexicain qui a fondé l’entreprise réalisant des de phénomènes astronomiques comme celle-ci:

Steffen a aussi développé le logiciel “ ” qui traite à la façon des astronomes des nuages de particules 3D. Ca fait plusieurs sujets pour de prochains articles…

sources :

“ ” Laurent Sacco, , 2 mai 2008
“ ”, JR Minke, Scientific America, Avril 2008

Ca c'est du trou noir, du vrai !

Fri, 18 Apr 2008 00:00:00 +0000

Au centre de notre Galaxie, la Voie Lactée, se trouve un qui pèse comme 2.7 millions de Soleils, et parmi les on vient d’en trouver un , lourd comme 3.6 Soleils seulement. Avant que nous dévore tous (arf!) voici des nouvelles d’un vrai monstre : OJ287.

OJ287 est un , une galaxie très lointaine (3.5 milliards d’années lumière) dont le cœur est extrêmement lumineux, ce qui fait qu’on l’observe depuis plus d’un siècle. Or, approximativement tous les 12 ans, sa luminosité augmente en produisant deux flashes successifs.

En 1980, l’équipe finlandaise de Mauri Valtonen a proposé une explication au phénomène : OJ287 serait composé de deux trous noirs, l’un de 100 millions de masses solaires, soit 40 fois plus que . Et celui là, ce serait le petit : il tournerait autour d’un autre, de 18 milliards de Soleils ! Les flashes se produiraient lorsque le petit traverserait par deux fois le disque d’accrétion du grand, comme illustré sur la figure ci-contre.

Le disque d’accrétion, c’est de la purée de matière en orbite à la vitesse de la lumière autour du trou noir, une sorte de LHC naturel avec des étoiles à la place des protons, si vous voulez vous faire une idée …

Tout ceci n’aurait été que pure spéculation si les finlandais n’avaient pas prédit la date des prochains flashes : le 13 septembre 2007. Et à cette date, des dizaines de téléscopes autour de la Terre ont enregistré le phénomène, validant du même coup beaucoup de choses:

Les masses du duo de trous noirs : OJ 287 est le plus gros jamais mesuré, 6x plus lourd que le numéro 2.
La théorie de la relativité. Albert avait expliqué la mystérieuse précession de l’ de 0.1 degré par siècle, et ici les mêmes équations se sont révélées absolument parfaites et valables pour un objet monstrueux dont l’orbite se décale de 39 degrés par période de 12 ans !
L’émission d’ondes gravitationnelles. Avec les instruments les plus sensibles actuellement, on a toujours pas réussi à mesurer ces ondes prévues par la Théorie, faute de phénomènes impliquant des masses importantes à portée de main. Or Valtonen a pu calculer que si OJ 287 ne dissipait pas d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles, les flashes se produiraient 20 jours plus tard.

Observation, Hypothèse, Validation expérimentale : ça c’est de la Science ! Avec du rêve en prime. J’attends avec impatience des images de synthèse qui montreraient à quoi ressemble le feu d’artifice vu de moins loin.

Sources:

\[altmetric arxiv="1112.1162" float="right"\]Mauri Valtonen, Stefano Ciprini “OJ 287 binary black hole system”, 2011, \[astro-ph.HE\]

sur Techno-Science
, Laurent Sacco,

Des p'tits trous noirs

Wed, 02 Apr 2008 00:00:00 +0000

“Chuis le poinçonneur galactique … j’fais des trous, des trous noirs, … , des trous d’seconde classe … "

Le petit dernier s’appelle XTE J1650-500 et a la bonne idée de tourner autour d’une autre étoile pas trop loin dans notre Voie Lactée, ce qui a permis de déterminer sa masse : 3.6x celle du Soleil seulement, ce qui en fait le plus petit trou noir connu. C’est intéressant pour vérifier expérimentalement la qui fixe théoriquement à 3.3 masses solaires la limite entre étoile à neutron et trou noir.

Les petits trous noirs ont aussi un “effet de marée” plus intense que les grands : la force d’attraction varie énormément avec la distance, ce qui fait par exemple que vos pieds seraient attirés beaucoup plus fortement que votre tête en passant à proximité, donc que tout en tombant vers le trou noir, vous seriez étiré en forme de spaghetti …

source : article agrémenté de cette belle vue d’artiste, hélas peu relativiste.

le trou noir central de la Voie Lactée révélé

Tue, 26 Jun 2007 00:00:00 +0000

Je suis certain d’en avoir déjà parlé, mais c’était il y a trop longtemps (2003) donc sur un vieux blog perdu… On avait détecté à l’époque une étoile qui se déplaçait très vite dans la région du centre de notre Galaxie, ce qui avait permis de suspecter qu’une source de rayons radio appelée était le trou noir (donc invisible) central de notre Galaxie.

Après 10 années d’observation avec les plus puissants télescopes disponibles actuellement, on a pu réaliser cette fantastique animation de cette zone :

L’étoile “S2” qui décrit l’orbite rapide pèse 15 fois plus lourd que le Soleil et parcourt en 10 ans une orbite de 2 jours-lumière de diamètre seulement, donc à la vitesse de 5000 km/s, soit 200x plus vite que la Terre autour du Soleil, ou encore 2% de la vitesse de la lumière !

Pour orbiter aussi vite, il faut qu’un objet invisible de 2.7 millions de masses solaires l’attire, et sa position est “pile-poil” sur l’invisible Sagittaire A!

C’est plein de Trous Noirs !

Tue, 13 Mar 2007 00:00:00 +0000

Sur cette image d’un petit bout de ciel grand comme quelques fois la lune placée là pour l’échelle, chaque point de couleur révèle la position d’un trou noir. Il y en a environ 1300, ce qui laisse supposer qu’on en répertoriera des millions dans les prochaines années.

Ce résultat est du au satellite , spécialisé dans la détection de ces objets aussi monstrueux qu’ invisibles.

La caractéristique la plus connue d’un est d’être tellement massif (au moins des centaines de fois plus lourds que le Soleil) que même la lumière ne peut pas s’en échapper : l’attraction est trop forte, les rayons lumineux “tombent” dans le trou noir et n’en ressortent jamais. Donc, pas moyen de le “voir” directement.

Un trou noir “immobile” vu à quelques kilomètres de distance ressemblerait à l’image ci-dessous, et serait donc parfaitement indétectable depuis la Terre.

(tiré de )

Mais les trous noirs se forment par l’“effondrement gravitationnel” de matière qui ne peut pas s’empêcher de tourner et, par le principe de conservation du moment cinétique, aussi appelé “théorème de la patineuse” en l’honneur patineuse inconnue qui eut l’idée de ramener bras et jambe près du corps pour pirouetter plus vite, un trou noir tourne très vite sur lui même. Pour se faire une idée, un trou noir est plus petit, plus lourd et tourne donc plus vite qu’un , et on connait des pulsars aussi lourds que le Soleil qui tournent plusieurs centaines de fois par seconde sur eux-mêmes !

Bref, un vrai trou noir tourne vite, et Einstein prétend que l’espace lui-même s’enroule autour de lui, ce qui force la matière attirée par le trou noir à “tomber en spirale”. Mais il arrive un moment où la force centrifuge sur la matière tournant autour du trou noir équilibre son attraction, et ceci avant que la matière n’aie passé le point de retour de “l’horizon des événements”.

En pratique (je vous épargne les calculs…) un “disque d’accrétion” se forme avec de la matière tournant pratiquement à la vitesse de la lumière autour du trou noir, bref, le tout forme alors un gigantesque accélérateur de particules naturel. Pour un trou formé par une étoile effondrée, ce disque est trop petit pour être observé directement, mais Hubble a photographié un disque d’accrétion d’un “trou noir supermassif” siégant au centre d’une Galaxie :

Les disques d’accrétion, eux, sont très lumineux car cette matière accélérée à une vitesse prodigieuse s’entrechoque, se chauffe à des températures incroyables et émet un rayonnement extrêmement énergétique : des “rayons X”.

C’est pourquoi Chandra est un détecteur de rayons X : l’image du début de cet article correspond aux sources de rayons X qui n’ont pas d’autre explication possible que le rayonnement de disques d’accrétion tournant à la vitesse de la lumière, qui n’ont eux-mêmes aucune autre possibilité d’exister qu’autour d’un trou noir.

En vérifiant où se trouvent ces trous noirs, on retrouve fort heureusement les centres de beaucoup de galaxies, ce qui confirme que les trous noirs supermassifs au centre des galaxies ne sont pas l’exception, mais la règle.

Reste un léger problème : on ne reçoit pas les mêmes rayons X selon qu’on observe le disque “de face” ou “sur la tranche”, et normalement on devrait obtenir toutes les variantes intermédiaires, et ce n’est pas le cas dans les mesures de Chandra…

Comme souvent en science, une réponse spectaculaire à une question importante ne se termine pas par un point final, mais par un autre “pourquoi … ?”