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10 façons de continuer à nous surprendre par les trous noirs
Un trou noir est une grande quantité de matière coincée dans une zone minuscule avec une énorme attraction gravitationnelle pour sa taille. De nombreux trous noirs se forment à partir d'étoiles géantes mourantes qui s'effondrent sur elles-mêmes. Mais même en tant que trous noirs, ils continuent à orbiter et à exercer la même attraction gravitationnelle sur les objets qui les entourent.
Visualisez-le de cette façon. Si la Terre devenait un trou noir (ce qu’elle ne pouvait pas), elle aurait le même poids qu’aujourd’hui, mais sa taille serait plus petite qu’un globe oculaire humain. Cependant, ce globe oculaire aurait le même attrait gravitationnel, de sorte que la Lune continuerait à tourner autour d'elle.
Vous ne verriez pas directement le trou noir car la limite autour de sa bouche (appelée «horizon des événements») piège la lumière à l'intérieur. Mais comme le vent invisible qui fait plier les arbres, nous pensons que les trous noirs sont présents à cause de leur effet sur leur environnement.
Tous les scientifiques ne croient pas aux trous noirs. Mais pour ceux qui le font, les surprises continuent à venir.
10Nos premiers ancêtres ont peut-être vu le trou noir de la voie lactée
Il y a environ deux millions d'années, le trou noir supermassif au centre de notre galaxie a pris vie avec une lueur radieuse. À ce moment-là, l'homme commençait tout juste à marcher debout. Nos ancêtres auraient vu une lumière de la taille d'une lune dans le ciel du sud, qui ressemblait à une boule de duvet lumineuse ou à une bavure.
Notre trou noir, Sagittarius A *, est maintenant silencieux. Mais à l'époque, on pensait qu'il s'agissait d'un noyau galactique actif (AGN), le centre compact produisant de l'énergie d'une galaxie qui surpasse largement le reste. Un trou noir se nourrissant peut être la source d'un AGN, car son attraction gravitationnelle attire la matière et forme un disque qui se réchauffe et brille. Si le disque aspire de grandes quantités de matière, deux jets brillants de particules de haute énergie seront projetés du trou noir perpendiculairement à sa rotation.
Les astronomes ont conçu cette théorie AGN en 2010 après avoir repéré deux bulles de Fermi s'étendant à 25 000 années-lumière au-dessus et au-dessous de notre galaxie. Les scientifiques pensent que les jets AGN auraient pu produire ces bulles il y a un à trois millions d'années.
Le spectacle de lumière du trou noir aurait duré quelques milliers d'années pour nos ancêtres. Selon l’anthropologue Chris Stringer, «c’était le début du genre Homo. La fabrication d'outils en pierre avait déjà commencé, mais le cerveau commençait seulement à s'agrandir. »Si le Sagittaire A * redevient AGN, nous risquons de recevoir notre propre spectacle de lumière dans le ciel nocturne.
9Not chaque centrale cosmique est un trou noir
Pendant des décennies, de nombreux scientifiques ont estimé que les sources de rayons X extrêmement brillantes, appelées sources de rayons X ultralumineuses (ULX), devaient être causées par des trous noirs dévorant des étoiles ou d’autres matières.
Lorsque l’immense gravité d’un trou noir attire le gaz d’une étoile proche, ce gaz s’enroule en spirale pour former un disque d’accrétion autour du trou noir. Comme l’eau qui circule avant de s’écouler dans les égouts, le gaz accélère considérablement et chauffe à des températures extrêmement élevées, ce qui libère une lumière de rayons X brillante dans toutes les directions. Plus le trou noir d'alimentation est large, plus il consomme et plus la lumière est brillante.
C'était la théorie. Puis, dans la galaxie voisine M82, des astronomes ont découvert accidentellement une source ULX émettant des impulsions émettant un faisceau de rayons X lumineux qui balayait la Terre toutes les 1,37 secondes à la manière d’un phare. Le problème est que les trous noirs ne pulsent pas. Les pulsars pulsent.
Un pulsar est une étoile à neutrons en rotation (le résidu d'une étoile mourante qui n'était pas assez grande pour devenir un trou noir) qui émet de la lumière de rayons X à partir de ses pôles magnétiques, comme le phare qui vient d'être décrit. Mais le pulsar de la galaxie M82 est 100 fois plus lumineux que sa masse ne devrait le permettre, selon une directive de la physique appelée limite d'Eddington. Cela ne devrait pas être une source ULX.
"Vous pourriez penser à ce pulsar comme à la Mighty Mouse des restes stellaires", a déclaré Fiona Harrison du California Institute of Technology. «Il a toute la puissance d'un trou noir avec beaucoup moins de masse. Le pulsar semble manger l'équivalent d'un régime au trou noir. "
Les astronomes doivent maintenant réexaminer d'autres sources ULX pour voir si elles pulsent. Ils ne peuvent plus présumer que chaque source ULX, ou centrale cosmique, est un trou noir.
8Plus Gloutons Que Imaginé
Jusqu'à récemment, les scientifiques pensaient que la taille d'un trou noir déterminait la vitesse maximale à laquelle il pouvait manger et produire de la lumière (limite d'Eddington). Ils ont ensuite découvert P13, un trou noir de la galaxie NGC7793, qui tourne autour d’une étoile supergéante tout en le cannibalisant. Mais P13 se gavage 10 fois plus vite que les astronomes du possible.
On pense que la P13 est 15 fois plus petite que notre soleil et pourtant un million de fois plus brillante. Il a la capacité de dévorer son étoile compagnon en moins d'un million d'années, ce qui est rapide dans le temps cosmique.
Ce petit trou noir consomme de la matière pesant 100 milliards de hot dogs chaque minute. «Comme l’a dit à merveille la légende de la consommation de hot-dogs, Takeru Kobayashi, la taille n’importe pas dans le monde de la compétition, et même les petits trous noirs peuvent consommer de l’essence à un rythme exceptionnel», a expliqué l’astronome Roberto Soria.
Comme le pulsar M82, P13 est une source de rayons X ultralumineuse qui non seulement viole la limite d'Eddington, mais le fait tomber de la galaxie. Les astronomes se rendent maintenant compte qu'il n'y a peut-être pas de limite stricte à la quantité de nourriture qu'un trou noir peut manger.
7Les trous noirs supermassifs pourraient être plus nombreux que nous ne le pensions
Les trous noirs sont disponibles dans une variété de tailles, du primordial (qui peut être aussi petit qu'un atome) au supermassif (avec des masses supérieures à un million de soleils emballés dans la taille d'un système solaire). Il peut même y avoir une taille extra-large rare appelée ultramassive.
À une époque, seules les grandes galaxies étaient supposées contenir des trous noirs massifs.Mais au début de 2014, les astronomes ont révélé que plus de 100 petites galaxies naines semblaient avoir d'énormes trous noirs en leur centre. Comparée à la collection de 200 à 400 milliards d'étoiles de notre Voie lactée, une galaxie naine ne compte que quelques milliards d'étoiles et beaucoup moins de masse.
Puis, en septembre 2014, les astronomes ont annoncé avoir trouvé un trou noir supermassif dans une galaxie naine ultracompacte appelée M60-UCD1, la plus dense à ce jour. Si vous habitiez dans M60-UCD1, vous verriez au moins un million d'étoiles dans le ciel nocturne, par opposition aux 4 000 étoiles que nous voyons de la Terre à l'œil nu.
Bien que le trou noir central de la Voie lactée ait une masse de quatre millions de soleils, il représente moins de 0,01% de la masse totale de notre galaxie. En comparaison, le trou noir central de M60-UCD1 est un monstre, avec une masse de 21 millions de soleils, soit 15% de la masse totale de sa galaxie.
Sur la base de ces découvertes, certains astronomes pensent que de nombreuses galaxies naines ultracompactes pourraient être les restes de grandes galaxies déchirées lorsqu’elles sont entrées en collision avec d’autres. Il peut donc y avoir autant de trous noirs supermassifs dans les centres des galaxies naines ultracompactes que dans les plus grandes galaxies.
6Grasser la masse comme un bébé Pac-Man
Les quasars sont les centres brillants des galaxies les plus lointaines que nous pouvons voir dans notre univers. On pense qu'ils sont des trous noirs supermassifs avec des disques d'accrétion qui diffusent une lumière de rayons X incroyablement brillante. Les quasars peuvent briller jusqu'à deux trillions de fois plus lumineux que notre soleil. Ils peuvent être des milliards d'années-lumière de la Terre. Regarder un quasar, c'est regarder sa photo de bébé dans le passé.
Les scientifiques se sont demandé comment un trou noir précoce pouvait débuter avec des masses solaires estimées à 10 puis se développer rapidement pour atteindre plus d'un milliard de masses solaires peu après le big bang. Dans des conditions normales, le gaz tiré vers un trou noir s’enroule en spirale pour former un disque d’accrétion. Certains gaz s’écoulent à l’intérieur, mais plusieurs processus ralentissent généralement la croissance d’un trou noir.
Les chercheurs pensent que l'univers primitif contenait des flux de gaz froid beaucoup plus denses qu'aujourd'hui. Un jeune trou noir se serait déplacé rapidement, changeant continuellement de direction comme un bébé gobant Pac-Man alors que des bébés étoiles proches le renversaient. Ces changements de direction rapides ont peut-être laissé le trou noir manger du matériau directement à partir de ces flux de gaz plus denses si rapidement que la spirale lente ne s'est jamais produite. À mesure que le trou noir s'agrandissait, il mangeait encore plus vite. En 10 millions d’années, le trou noir aurait passé de 10 à 10 000 masses solaires. Ensuite, le taux de croissance aurait ralenti. Mais la voie vers un milliard de masses solaires au moins aurait été bloquée.
5 trous noirs peuvent empêcher la formation d'étoiles
Dans les galaxies matures, les chercheurs ont découvert que des trous noirs énormes peuvent empêcher le développement des bébés étoiles en vomissant des particules émettant des ondes radio. Voyageant à proximité de la vitesse de la lumière, ces jets chauffés agissent comme des interrupteurs pour empêcher les gaz chauds de la galaxie de se refroidir et de se condenser en nouvelles étoiles. Les scientifiques ne savent pas pourquoi les trous noirs centraux de ces galaxies anciennes, souvent elliptiques, commencent à émettre ces particules.
Mais jusqu'à récemment, ils croyaient que les énormes trous noirs centraux étaient toujours à blâmer pour les «galaxies rouges et mortes», composées uniquement d'étoiles plus anciennes. Puis ils ont découvert plusieurs jeunes galaxies compactes qui meurent prématurément. Ces jeunes galaxies ont la masse de la Voie lactée serrée dans une zone relativement petite.
Sur la base de leurs recherches, une équipe d’astronomes pense que ces étoiles sont responsables de la désactivation de leur commutateur dans ces galaxies plus jeunes. Une explosion d'activité produisant des étoiles semble commencer par la collision de deux galaxies riches en gaz qui acheminent beaucoup de gaz froid dans le centre compact de la galaxie fusionnée. Ensuite, l'énergie de cette activité de naissance frénétique peut faire exploser tout résidu de gaz, ce qui arrêtera la formation d'étoiles future. Il est également possible que le gaz dans ces galaxies devienne simplement trop chaud pour se refroidir et se condenser en nouvelles étoiles.
4The Eye of Sauron montre des trous noirs qui pèsent plus
Les astronomes pensent maintenant que les trous noirs supermassifs au centre des galaxies ont une masse supérieure de 40% à celle initialement prévue. Cela peut aider à expliquer pourquoi la limite de luminosité Eddington ne fonctionne pas avec certains calculs de masse actuels.
Les chercheurs ont utilisé une technique d'arpentage pour mesurer la distance à la galaxie NGC 4151, dont le noyau actif est appelé «l'œil de Sauron» car il ressemble à son homonyme du le Seigneur des Anneaux films. Une technique antérieure avait estimé la distance entre la Terre et le trou noir central de NGC 4151 entre 13 et 95 millions d'années-lumière.
Les scientifiques ont décidé d'utiliser les télescopes jumeaux Keck à Hawaii - et des calculs mathématiques plus simples - pour obtenir un résultat avec une précision de près de 90%. Le trou noir de NGC 4151 était actif, se nourrissant de gaz à proximité et produisant une lumière à rayons X. Ce rayonnement ultraviolet a ensuite chauffé un anneau de poussière en orbite autour du trou noir. Au bout de 30 jours, la poussière émettrait un rayonnement infrarouge. En utilisant le temps de 30 jours et la vitesse de la lumière, les chercheurs ont calculé la distance entre le trou noir et l'anneau de poussière.
Cette distance a été utilisée pour former la base d'un triangle isocèle. Après avoir mesuré l'angle dans le ciel depuis l'anneau de poussière, les chercheurs ont utilisé une géométrie simple pour calculer la distance à l'Œil de Sauron à environ 62 millions d'années-lumière.
Cette technique beaucoup plus simple leur donne maintenant la possibilité de mesurer plus précisément la masse des trous noirs supermassifs. Une autre utilisation est de mesurer la vitesse d'expansion de l'univers, ce qui aiderait à déterminer son âge.
3Expliquer comment les bourdons volent
Jusqu'à récemment, la plupart des chercheurs en gravitation pensaient que l'espace-temps ne pouvait être turbulent. Mais trois scientifiques ont renversé cette conviction lorsqu'ils ont décidé d'analyser si la gravité pouvait se comporter comme un fluide. Dans les bonnes conditions, les fluides sont turbulents. Comme de la crème mélangée dans votre café, ils peuvent tourbillonner et tourbillonner au lieu de bouger doucement.
Les chercheurs ont choisi des trous noirs à rotation rapide pour leur étude. L'espace-temps est moins visqueux autour des trous noirs à rotation rapide, ce qui augmente les risques de turbulence, comme lorsque l'eau tourbillonne davantage que la mélasse.
Les résultats ont été surprenants, même pour eux. "Au cours des dernières années, nous sommes passés d'un sérieux doute sur le fait que la gravité puisse ou non devenir turbulente pour donner une confiance assez grande", a déclaré le chercheur Luis Lehner.
D'ici peu, cela peut passer d'un constat théorique à un constat observable. Les nouveaux détecteurs pourront bientôt détecter les ondes gravitationnelles, des ondulations spatio-temporelles qui se comportent comme des vagues dans l'océan lorsqu'un bateau le traverse. Dans l’espace, les fluides gravitationnels peuvent provenir d’événements cosmiques gigantesques tels que la collision de deux trous noirs.
Mais ces découvertes pourraient également nous aider à comprendre la turbulence sur Terre, y compris la physique des ouragans, le cisaillement du vent par les avions et le vol apparemment impossible du bourdon.
2 Le centre d'un mystère de meurtre galactique
Certains astronomes pensent qu'un mystère de meurtre dans l'espace transforme des pulsars en petits trous noirs. C'est ce qu'on appelle le «problème de pulsar manquant».
Pour rappel, les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation (restes d’étoiles mourantes trop petites pour devenir des trous noirs) qui émettent un rayonnement lumineux à partir de leurs pôles magnétiques, à la manière d’un phare. Avec autant d'étoiles dans notre galaxie, au moins 50 mortes devraient être des pulsars au centre de notre voie lactée. Mais les astronomes ne peuvent en trouver qu'un.
Il y a plusieurs explications possibles, mais l'une des plus intrigantes concerne la matière noire. Comme les trous noirs, la matière noire est invisible et ne peut être détectée que par la façon dont son attraction gravitationnelle interagit avec d'autres objets dans l'espace.
Deux chercheurs ont proposé que la gravité d'un pulsar puisse attirer certaines particules de matière noire, faisant ainsi gonfler le pulsar à une taille si grande qu'il s'effondrait dans un trou noir. Le pulsar devient si gros qu'il perce un trou dans le tissu de l'espace-temps et disparaît. "La matière noire ne peut pas s'accumuler aussi dense et aussi rapidement au centre des étoiles ordinaires", a déclaré le chercheur Joseph Bramante. «Mais dans les pulsars, la matière noire se rassemblerait en une balle d’environ 2 mètres. Ensuite, cette balle s’effondre dans un trou noir et aspire le pulsar. "
Certaines matières noires combinent matière et antimatière dans chaque particule. Ces particules se détruiraient au contact. Les chercheurs pensent donc que seules des particules de matière noire asymétriques (de la matière ou de l'antimatière mais pas les deux) peuvent s'accumuler dans le cœur d'un pulsar au fil du temps.
Il y a une plus grande concentration de matière noire au cœur de la galaxie, ce qui peut expliquer pourquoi les pulsars manquent seulement au centre de notre voie lactée.
1Notre univers peut être né d'un trou noir 4D
Un gros problème avec la théorie du big bang est que notre univers scientifiquement prévisible provient d'une singularité, d'un point infiniment dense qui ne respecte pas les mêmes règles de la physique. Les physiciens ne comprennent pas les singularités. Ils ne peuvent pas expliquer ce qui a déclenché le big bang. Certains physiciens pensent qu'il est improbable qu'un tel début chaotique produise un univers avec une température largement uniforme.
Trois chercheurs de l'Institut Perimeter ont donc proposé une nouvelle théorie qui, selon eux, est mathématiquement valable et vérifiable. Ils soutiennent que notre univers est le matériau extérieur éjecté violemment de la mort en supernova d'une étoile à quatre dimensions dont les couches internes se sont effondrées dans un trou noir.
Dans notre univers, un trou noir à trois dimensions a un horizon d'événements à deux dimensions, la limite autour de la bouche du trou noir qui représente le point de non retour pour tout ce qui tombe à l'intérieur et est piégé par la gravité.
Dans un univers à quatre dimensions spatiales, un trou noir à 4 dimensions aurait un horizon d'événements à 3 dimensions. Notre univers, le matériau éjecté de la supernova, formerait une membrane 3D autour de l'horizon des événements 3D. La croissance de cette membrane est ce que nous percevons comme une expansion cosmique. Notre univers à trois dimensions aurait hérité de l'uniformité de l'univers parent à quatre dimensions si cet univers avait existé pendant longtemps.
Les chercheurs perfectionnent encore leur modèle. Si nous considérons leur théorie comme absurde, ils soutiennent que c'est simplement parce que nous ne comprenons pas un univers 4-D. Notre pensée est limitée par un monde à trois dimensions qui peut ne représenter que la pointe de la réalité.