A combien tourne un trou noir ? 10


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 la mienne, se limitent à décrire un modèle de trou noir très simplifié : le trou noir de Schwarzschild, qui ne tourne pas sur lui-même. Un tel trou noir a un horizon des événements 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 [1] (cliquer pour plus d’infos)

Le trou noir d’Interstellar est aussi un « Schwarzschild », même si Kip Thorne lui a ajouté un disque d’accrétion de matière en orbite (dont la production a honteusement sabré une bonne partie du réalisme [1])

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 moment cinétique, sa vitesse de rotation accélère énormément. Même si la rotation des étoiles peut être très lente (le Soleil tourne sur lui même en 27 jours), après effondrement les étoiles à neutrons tournent extraordinairement vite, 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'équation d’Einstein, ils se passe des choses étranges quand les objets massifs tournent : ils « enroulent l’espace » autour d’eux. Ca s’appelle l'effet Lense-Thirring et ça été mesuré expérimentalement autour de la Terre par le satellite Gravity Probe B, dont j’ai parlé dans un article sur les gyroscopes. 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 Alain Riazuelo a incorporé cet effet a ses simulations [2], 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 [2]

Le modèle relativiste d’un trou noir en rotation s’appelle le Trou noir de Kerr, et il apporte son lot d’étrangetés par rapport au trou noir de Schwarzschild. Par exemple dans l'ergosphère, 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 horizons des événements au lieu d’un seul permette d’imaginer des voyages dans des univers parallèles [3], mais ma maîtrise du diagramme de Penrose 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 « toute nue » dans l’espace « normal ». Et ça c’est interdit. Du moins on pense que ça l’est : Roger Penrose a conjecturé que l’Univers n’autorise pas les singularités nues et baptisé ceci très logiquement « censure cosmique ».

Si la censure cosmique est vraie, alors il existe une limite à la vitesse de rotation d’un trou noir, plus exactement son moment cinétique 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 émettant des jets, 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 censure cosmique 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 ! [4] 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. 

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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.

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Credit: Mitsuda [4]

C’est comme ça qu’en 2006, on a démontré que le trou noir stellaire GRS 1915+105 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 trou noir supermassif au centre de la galaxie NGC 1365 qui a été mesuré à sa limite de vitesse également [6,7]. 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 [6], 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 cette conférence de Jean-Pierre Luminet à laquelle j’ai assisté l’an passé, suite à laquelle j’ai échangé quelques mails avec Alain Riazuelo.

Références

  1. Robbie Gonzales « The Truth Behind Interstellar‘s « Scientifically Accurate » Black Hole« , 2015, io9

  2. Alain Riazuelo  « Some aspects of circular prograde orbits in an extreme Kerr metric« , 2012
  3. N. Rumiano « A l’intérieur d’un trou noir » (part 1 et part2)
  4. How to measure black hole spin? » sur Strong Gravity
  5. E. H. Morgan, R. A. Remillard & J. Greiner, « RXTE Observations of QPOs in the Black Hole Candidate GRS 1915+105« , 1997, The Astrophysical Journal, Volume 482, Number 2, DOI:0.1086/304191
  6. Fraser Cain « how fast do black holes spin?« , 2015 sur UniverseToday et sur YouTube
  7. G. Risaliti, F. A. Harrison et al. « A rapidly spinning supermassive black hole at the centre of NGC 1365« , Nature doi:10.1038/nature11938
  8. Jean-Pierre Luminet « Black Holes : A General Introduction« , 1998, in Black Holes : Theory and Observation, Eds. F. Hehl, C. Kiefer, R. Metzler, Springer Verlag, Lecture Notes in Physics, pp. 3-36. DOI 10.1007/978-3-540-49535-2_1, arXiv:astro-ph/9801252
  • Fred
  • Fred

    Bonjour, connaissez-vous les travaux de Jean-Pierre Petit sur le trou noir ?

    • Etant un fan d’Anselme Lanturlu, j’ai lu (plusieurs fois) son excellente BD « le Trou Noir » qui date de l’époque « claire » de JPP… Mais depuis qu’il est passé sur le « versant obscur », j’ai un peu de peine à suivre sa démarche…

      Si j’ai bien compris https://www.jp-petit.org/Extensions/presentation/pq1.htm et http://forums.futura-sciences.com/astronomie-astrophysique/87715-jean-pierre-petit-trous-noirs.html , JPP ramène les trous noirs à des points de contact entre les côtés de son « univers gemellaire ». Comme le jumeau du notre serait constitué d’antimatière, cette rencontre fournirait l’énergie des quasars, et des trous noirs stellaires aussi, j’imagine. J’ai compris que JPP conteste que la masse du TN devienne ponctuelle (ça tombe bien, aucun physicien n’y croit non plus, voir les bouquins de JP Luminet et Kip Thorne pour la vision actuelle), mais je n’ai pas compris où passe la masse une fois qu’elle a été émise sous forme d’énergie selon JPP…

      Mais je suis persuadé que JPP est suffisamment bon en maths pour sculpter sa théorie de façon à ce qu’elle corresponde parfaitement aux observations, par exemple à celles du trou noir central de notre propre galaxie qui est suffisamment inactif pour être invisible (même en rayons X je crois) et dont la masse (ou quelque chose…) déforme l’espace suffisamment pour faire orbiter une étoile à vitesse relativiste:

      Donc mon point de vue d’empiriste pur est dur est celui expliqué dans « Suites, Courbes et Théories » : pour valider sa théorie (et les autres…), il ne suffit pas à JPP d’expliquer ce qu’on observe, il doit prévoir des phénomènes non encore observés. Et dans ce cadre, les mesures récentes qui montrent que la vitesse de rotation des trous noirs est celle prévue par la censure cosmique me semble plutôt apporter de l’eau au moulin de la théorie dominante selon laquelle il y a bien une singularité (annulaire) dans les TN….

      • Fred

        Si j’ai bien compris, au delà d’une certaine masse critique, la masse voit son signe changer en négatif et passe du côté jumeau. (restant matière mais masse en signe négatif (ayant aussi son alter anti-matiere en signe négatif)) Un côté jumeau qui est aussi ‘parmi nous’ car exprimé par une seconde métrique. La masse de signe négatif s’accrétionne dans les grands espaces vides entre les galaxies (pas pratique à observer!:) et est inobservable car n’interagissant qu’a travers influence gravitationnelle, effet répulsif qui explique la formation et la forme des galaxies, fait office de matière /énergie noire du même coup. Explique effet de lentille gravitationnelle (un observable expliqué). Rends compte aussi d’un effet rapport aux naines blanches (me souviens plus sur le moment, à préciser). JPP prédit que l’anti matière ‘normale’ de notre versant de l’univers tombera ‘vers le bas comme la matière lors de l’expérience Gbar à venir… Voilà apparemment de la ‘matière à discuter’!, mais dans les cenacles on en parle pas? Les milieux autorisés, comme disait Coluche ‘rassurez-vous vous n’en faites pas partie’ ! 🙂

        • Merci Fred. Concernant GBar, la « prédiction » de JPP est la même que celle de la plupart de la communauté scientifique : la masse de l’antimatière étant positive, elle tombera « vers le bas ». Il n’y a que certaines autres théories exotiques comme celle de Gabriel Chardin qui prédisent une chute « vers le haut ». On verra mieux avec Gbar, mais l’expérience Alpha en cours au CERN a déjà pas mal montré que l’anti-hydrogène se comporte comme de l’hydrogène, à la charge près…

          Il faut bien voir que des théories comme celles de JPP ou de Chardin, il y en a des floppées. On connait celles là parce que leurs auteurs sont français, mais y’en a plein d’autres. Voir cette liste partielle pour la cosmologie et encore d’autres comme MOND et au moins 3x plus de variantes de la mécanique quantique. Donc « les milieux autorisés » dont je ne fais effectivement pas partie (pas physicien) fonctionnent exactement comme doit fonctionner la science:

          1) ils prennent bonne note des propositions d’articles de ces théoriciens
          2) ils valident leur publication dans des journaux à comité de lecture si les travaux ont été faits correctement (= ne contiennent pas d’erreur manifeste ou de contradiction évidente avec ce qui est observé )
          3) attendent que les expériences permettent de départager ces théories.

          Pour se convaincre que ce processus fonctionne, on peut par exemple voir ce qui est en train d’arriver à la théorie des cordes qui était dominante dans « les milieux autorisés » jusqu’à ce que les récentes expériences du CERN s’obstinent à ne pas montrer la queue d’une corde alors qu’elles auraient du. Il y a un super reportage sur Netflix qui montre des profs qui espéraient un prix Nobel et se retrouvent du jour au lendemain à se lamenter d’avoir passé leur vie entière à travailler sur une théorie fausse, consolés par leurs assistants qui n’y ont passé que 10 ou 20 ans… Et c’est la gravitation quantique à boucles longtemps minorisée qui reprend du poil de la bête.

          Donc voilà, la théorie de JPP est juste une théorie de plus, et elle sera traitée comme telle. Le problème est que, publiée dans un journal à facteur d’impact = 1.338, elle n’a pas une super visibilité… Est-ce à cause d’un complot contre JPP , ou d’une réelle faiblesse de sa théorie ? L’avenir le dira. Mais JPP aura-t-il l’humilité d’admettre (éventuellement) qu’il s’est planté ? Ca j’en doute, hélas.

          • Fred

            Bonsoir Dr, quand j’écrivais ‘vous ne faites pas partie…’, je ne faisais que citer Coluche, si vous connaissez ce passage sur ‘les milieux autorisés’, je ne pensais pas particulièrement à vous Dr Goulu donc. Parenthèse.
            Tout à fait, la thèse de JPP s’inscrit dans tous les efforts actuels pour avancer en cosmo, toutes ces histoires sombres et noires, pas très rassurantes quant à la majorité de la matière de l’univers quand même, ça n’est pas rien 🙂
            Plusieurs papiers sont parus dans des revues à peer review, comme le veut la procédure que vous décrivez, heureusement qu’il y a qques gardes fou, car ces sujets sont compliqués et on ferait gober n’importe quoi sinon. Il y a un truc que j’aime bien, c’est l’idée de la variation conjointe des constantes de la physique, donc dont celle de la lumière. Ça résoudrait la question de l’homogénéité du fond cosmique. C’est quand même bizarre qu’une théorie (relativement) simple qui explique des trucs ne soit pas débattue (j’ai pas vu en tous cas). C’est vrai pour ce truc de variation conjointe, mais aussi pour univers jumeau et 2 couples de matière /Anti matière… Quant à savoir si JPP admettait erreurs, ah ah faudrait lui demander. Quels sont les observables qui infirmeraient /confirmeraient le modèle ? Est-ce que les outils raisonnements et calculs sont valables ? Qui peut /veut porter critique ?!

            • Pas de problème, je ne l’avais pas mal pris 😉 Une de mes préférées du grand philosophe Michel Colucci est d’ailleurs « L’intelligence, c’est pas sorcier, il suffit de penser à une connerie et de dire l’inverse. » , exercice que je pratique quasi quotidiennement 🙂
              Le problème en cosmologie me semble-t-il est que les maths peuvent décrire correctement cet univers de multiples manières, et même modéliser une infinité d’Univers différents. Probablement qu’un c variable arrangerait pas mal de monde. Mais qu’est-ce qui ferait varier c ? Le temps ? C’est quoi ? Comme le dit bien Smolin dans son livre (ardu) https://www.drgoulu.com/2015/01/28/la-renaissance-du-temps/ , la physique sera en crise tant qu’on ne saura pas ce que sont le temps et l’espace et qu’on supposera une sorte d’ « univers platonicien des mathématiques » décrivant l’univers physique (tendance assez française me semble-t-il…). Parmi les « nouveaux principes cosmologiques » proposés par Smolin, j’ai trouvé celui de « fermeture causale » très convaincant : si une théorie cosmologique dit que c est contant (ou variable), alors elle doit aussi expliquer pourquoi sans faire appel à quelque chose d’extérieur à l’Univers. Et finalement c’est ce qui me dérange avec la théorie Janus de JPP, mais aussi avec les multivers et les univers évolutifs de Smolin : ils n’arrivent pas à éviter de faire appel à quelque chose d’extérieur à l’Univers, hors de notre portée expérimentale.

              • Fred

                Eh eh, on voit que contrairement au doyen de la faculté qui lui ne les avait plus, vous avez qques échantillons sur vous, et avez déjà secoué un peu pour décoller la pulpe du fond ! 🙂 (référence à Coluche encore pour les connaisseurs…).
                Je ne crois pas qu’on puisse dire que le modèle Janus fasse appel à un univers extérieur, puisque la partie en seconde métrique interagit quand même par gravitation, on parle donc quand même bien d’un seul univers global, à géométrie particulière. Les deux côtés d’une bande de Moebius n’interagissent pas et pourtant s’intègrent en une seule figure, d’ailleurs une bande de Moebius justement = une seule face sauf erreur ! Juste une image. Qu’est-ce qui fait varier c au début de l’univers ? Ben c’est l’état global univers qui serait ainsi à ses débuts (ère radiative), les lois de la physique idem, mais constantes en variations conjointes. Nul besoin de qque chose d’extérieur, ok avec principe de fermeture causal. Modèle Janus : fermeture causal aussi car par trou noir, la masse excédentaire voit son signe changer, mais ne disparaît pas non plus totalement puisqu’elle interagit /gravitation…?

  • Surprise : il existe un improbable lien entre mes deux derniers articles : https://johncarlosbaez.wordpress.com/2013/02/28/black-holes-and-the-golden-ratio/ !

    (trouvé grâce à Altmetric, le truc qui fait des fleurs à côté des articles scientifiques de référence : https://www.altmetric.com/details/1271887/blogs )