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14 Dec

Les Quasars et les trous noirs, mon questionnement

Publié par La pintade rose  - Catégories :  #j'aime

Le terme « trou noir » a été inventé par le physicien américain John Wheeler, en 1967, pour décrire une concentration de masse-énergie qui s'est effondrée gravitationnellement sous sa propre force d'attraction et qui est devenue si compacte que même les photons ne peuvent se soustraire à cette force gravitationnelle.

Trou noir, horizon des évènements et relativité générale d'Einstein

L'idée avait déjà été conçue au XVIIIe siècle par John Michell et Pierre-Simon de Laplace. Mais, pour un physicien et un astrophysicien moderne, un trou noir est, d'abord et avant tout, caractérisé par l'existence d'un horizon des évènements, ce qui, dans ce cas précis, est une surface sphérique délimitant une région de l'espace-temps dont même la lumière ne peut sortir.

Il y a d'autres mondes ....

Situé à 13 milliards d'années-lumière, 800 millions de fois plus massif que notre Soleil, ce trou noir éclaire notre très lointain passé.

Des astronomes ont découvert, au centre d'une galaxie lointaine, très lointaine, un trou noir qui pèse 800 millions de masses solaires. Situé à 13,1 milliards d'années-lumière de la Terre, ce géant baptisé J1342+0928 est le plus lointain jamais observé par l'humanité. C'est donc le plus ancien que l'on connaît, puisque la lumière du quasar -c'est-à-dire la matière extrêmement lumineuse qui gravite autour du trou noir- a mis 13 milliards d'années à parvenir jusqu'à la Terre

Les astronomes ont donc observé J1342+0928 tel qu'il était il y a bien longtemps, 690 millions d'années seulement après le Big Bang. À cette époque, notre Univers était encore jeune. Cette observation a permis de faire des découvertes étonnantes sur cette période méconnue. Elle bouleverse au passage des théories sur la formation de l'Univers, celle des trous noirs et des galaxies. C'est ce qu'écrivent les scientifiques à l'origine de la découverte dans leur étude, publiée le 6 décembre dans Nature. 

 
 

Les quasars, témoins du jeune âge de l'Univers

Les quasars, composés d'un amas de matière lumineuse et d'un trou noir qui l'aspire- sont les entités les plus brillantes de l'Univers. J1342+0928, par exemple, brille autant que 40 milliards de Soleil. C'est la raison pour laquelle les quasars sont visibles d'aussi loin et sont recherchés avec autant d'avidité par les astronomes. Plus les astres que l'on regarde dans l'espace sont loin, plus leur lumière met du temps à nous parvenir et plus on peut remonter dans le passé de notre Univers. Mais les débusquer reste une entreprise très compliquée, la détection du précédent "quasar le plus lointain" remonte à 2011. 

"Les quasars sont absolument cruciaux pour comprendre la formation de l'Univers, quand il était encore très jeune", résume Bram Venemans, l'un des principaux auteurs de l'étude, astronome à l'Institut Max Planck d'astronomie

L'Univers est né du Big Bang il y a 13,7 milliards d'années. Au début, c'est une sorte de "soupe primordiale": chaude, ultra-dense, opaque. 380 000 ans plus tard, l'Univers se dilate et refroidit, ce qui permet l'apparition des premiers atomes, principalement d'hydrogène neutre. L'Univers devient alors transparent. 

Et la lumière fut

Paradoxalement, cette époque de transparence s'appelle "l'âge sombre". La lumière n'apparaît effectivement que des centaines de millions d'années plus tard, quand les premières étoiles, les premiers quasars et les premières galaxies se forment. Leur rayonnement "réionise" les gaz neutres et forme peu à peu des bulles de gaz ionisé. 

Les Quasars et les trous noirs, mon questionnement

C'est le début de la Réionisation: "la dernière transition majeure de l'Univers et l'une des frontières actuelles de l'astrophysique", indique l'astrophysicien qui a piloté l'étude, Eduardo Bañados, sur le site de son Université, Carnegie Mellon. Cette période aurait commencé environ 400 millions d'années après le Big Bang et aurait duré 600 millions d'années. 

C'est là que notre J1342+0928 entre en jeu. En analysant la lumière du quasar, qui date de 690 millions d'années après le Big Bang, soit en plein milieu de l'ère de Réionisation, les scientifiques ont pu déterminer qu'une grande partie de l'espace autour du trou noir était composée d'hydrogène neutre. Ce qui signifie que la Réionisation était récente. Elle aurait donc débuté plus tard que ce que l'on pensait. 

Un trou noir trop gros, trop tôt

Mais ce n'est pas le seul élément troublant à propos de J1342+0928. Malgré son "jeune âge", ce trou noir avait une masse 800 millions de fois plus grande que notre Soleil. Or il ne devrait pas être aussi gros, aussi tôt dans l'histoire de l'Univers. "Qu'il soit devenu aussi massif en moins de 690 millions d'années pose un véritable défi aux théories sur la croissance des trous noirs supermassifs, souligne Eduardo Bañados. 

Pour bien comprendre, il faut se pencher sur les deux principales hypothèses autour des trous noirs supermassifs. La première avance qu'ils sont issus de l'effondrement gravitationnel des premières étoiles et que leur masse initiale était relativement "faible", autour de 10 fois celle de notre Soleil. Ils auraient ensuite grossi, au fur et à mesure qu'ils fusionnaient avec d'autres trous noirs ou aspiraient des étoiles et des planètes. Sauf que ce processus, théoriquement très long, explique difficilement l'existence de J1342+0928, fort de 800 millions de masses solaires, 690 millions d'années seulement après le Big Bang.  

LIRE AUSSI >> La théorie sur les trous noirs supermassifs enfin éclaircie? 

L'autre hypothèse est celle de l'apparition d'une première génération de trous noirs supermassifs de plusieurs dizaines, voire centaines de milliers de masses solaires, qui pourraient être issus de l'effondrement de titanesques nuages de gaz. Ce qui explique l'existence, aujourd'hui, de trous noirs de plusieurs milliards de masses solaire (comme NGC1277 ou SDSS J0100+2802), mais aussi celle, à l'époque, de J1342+0928. Sa présence, alors que l'Univers était si jeune, "renforce le modèle selon lequel les premiers trous noirs avaient une masse initiale de plus de 10 000 masse solaire", confirment les chercheurs dans leur étude. 

Les galaxies se seraient formées plus tôt que prévu

Apparus quand l'Univers était encore très jeune, ces monstres auraient alors catalysé la formation des premières galaxies, comme indiquait à L'Express Jean-Pierre Luminet, astrophysicien et directeur de recherche au CNRS. Ce qui pourrait expliquer une dernière bizarrerie concernant ce lointain trou noir.  

En observant la lumière émise par J1342+0928, ou plutôt son quasar, les astronomes ont déduit que "la galaxie qui l'entourait, malgré son très jeune âge -moins 690 millions d'années- avait déjà dû produire énormément de poussières d'éléments lourds. Ce qui veut dire qu'elle avait déjà vu naître une grande quantité d'étoiles." 

Or, selon les théories actuelles, cette galaxie n'aurait pas dû être si développée aussi tôt dans l'histoire de l'Univers. Sauf, éventuellement, avec le scénario évoqué par Jean-Pierre Luminet. Quoi qu'il arrive, "les modèles théoriques vont devoir expliquer comment une galaxie a pu créer autant d'étoiles en aussi peu de temps", souligne Bram Venemans.  

D'après ses collègues et lui, il pourrait y avoir entre 20 et 100 autres quasars aussi brillants et distants que J1342+0928 dans tout le ciel observable. Ne reste maintenant plus qu'à les trouver, ce qui confirmera, peut-être, comment l'Univers s'est formé dans ses "jeunes années". 

 

Cette découverte majeure, qui a demandé près de 15 ans de travail, permet de mieux comprendre l'évolution de l'univers, mais aussi d'imaginer le futur de notre galaxie.

Regarder le passé pour mieux comprendre le futur de notre galaxie, voire de notre espèce, si nous sommes encore vivants d'ici là. Des astronomes ont réussi à observer, pour la première fois, deux trous noirs supermassifs orbitant l'un autour de l'autre, révèle leur étude publiée dans The Astrophysical Journal, disponible sur arXiv.org.  

"Pendant très longtemps, nous avons scruté l'espace, à la recherche d'une paire de trous noirs supermassifs en orbite, conséquence de la fusion de deux galaxies, raconte Greg Taylor, l'un des astronomes à l'origine de la découverte, sur le site de l'Université de New Mexico (UNM), Mais si nous avions théoriquement prévu cet événement [considéré comme une étape naturelle dans l'évolution des galaxies], personne ne l'avait encore jamais observé". Peut-être parce que les trous noirs qui se rencontrent fusionnent très rapidement ou alors parce qu'un des deux trous noirs se fait expulser, avancent les chercheurs dans leur étude. 

 
 

Observer l'invisible, mission (pas si) impossible

Mais aussi parce que les trous noirs sont tellement massifs qu'ils absorbent même la lumière, et sont donc (presque) invisibles. Pour les "voir", il faut observer leur entourage et détecter l'influence qu'ils exercent sur la matière les environnant. Pour y parvenir, les astronomes ont pointé le Very Long Baseline Array (VLBA), un réseau de 10 radiotélescopes, vers la galaxie 0402+379, à environ 750 millions d'années-lumière de la Terre. Ils ont alors enregistré différentes fréquences radio émises par deux trous noirs, baptisés C1 et C2. 

"Le professeur Greg Taylor m'a d'abord transmis les premières données du VLBA [...], que nous avons combinées avec des données du VLBA datant de 2003, explique Karishma Bansal, chercheur à l'UNM et principal auteur de l'étude. C'est ce qui nous a permis de déterminer que les deux trous noirs orbitaient l'un autour de l'autre. Et c'est vraiment génial". Mais contrairement à ce que le dessin d'illustration ci-dessus laisse croire, les astronomes n'ont pas pu voir deux magnifiques trous noirs au centre de leur galaxie, mais plutôt ça :  

15 milliards de fois plus "lourds" que notre Soleil

D'autant que ces observations leur ont aussi permis de déterminer la masse des deux monstres galactiques, qui est environ 15 milliards de fois plus élevée que celle de notre Soleil. Les deux entités sont séparées par 7,3 parsec, soit 23,8 années-lumières. Elles font le tour l'une de l'autre en environ 24 000 ans, ajoute Karishma Bansal

LIRE AUSSI >> Le mystère des trous noirs supermassifs enfin éclairci? 

Ce qui veut dire que malgré des observations ultra-précises étalées sur plus de 15 ans, les astronomes n'ont pas été capables de détecter la moindre trace de courbure dans les trajectoires respectives des trous noirs. 

"Imaginez un escargot se déplaçant à 1 cm par seconde sur une planète orbitant autour de Proxima du Centaure -une étoile située à 4243 années-lumière de la Terre-, et bien c'est ce genre de moment angulaire [trajectoire] qu'on tente de calculer, illustre Roger W. Romani, un chercheur de l'Université de Stanford. Évidemment, l'équipe d'astronomes va continuer à observer les deux trous noirs pour affiner ses résultats. 

La galaxie d'Andromède nous fonce dessus

Loin d'être anecdotique, cette nouvelle étude va permettre de grandement améliorer notre compréhension des trous noirs, qui restent encore très énigmatiques, même après la découverte des ondes gravitationnelles. L'observation de ces deux trous noirs en orbite devrait notamment nous permettre de mieux comprendre d'où viennent les galaxies -et notamment la nôtre, la Voie Lactée-, où elles se dirigent et le rôle des trous noirs dans ce processus. 

LIRE AUSSI >> Des astronomes vont "photographier" le trou noir au centre de notre Galaxie 

Ce qui est particulièrement intéressant quand on sait que la galaxie d'Andromède qui possède, comme la Voie Lactée un trou noir supermassif en son centre, nous fonce dessus à 430 000 km/h. Ce que les chercheurs de l'UNM observent actuellement dans la galaxie 0402+379 pourrait bien être ce qui nous attend, quand Andromède nous percutera, d'ici quatre milliards d'années environ

Trous noirs de Kerr, de Schwarzschild et de Reissner-Nordström

  • quand un trou noir tourne mais est sans charge, on parle de trou noir de Kerr ;
  • quand un trou noir ne tourne pas et est sans charge, on parle de trou noir de Schwarzschild ;
  • quand un trou noir ne tourne pas mais a une charge, il est décrit par la solution de Reissner-Nordström.

Bien qu'une singularité de l'espace-temps soit présente dans ces solutions, elle ne caractérise pas un trou noir. Les astrophysiciens ont des raisons de penser qu'un traitement quantique de l'espace-temps et de la matière à l'intérieur d'un trou noir supprime cette singularité qui peut être décrite approximativement comme un point de densité infinie où la courbure de l'espace-temps est également infinie. Un modèle quantique de trou noir conduit au concept d'étoile de Planck.

Trous noirs stellaires, trous noirs supermassifs et minitrous noirs

  • Les trous noirs stellaires se forment à l'occasion de l'effondrement gravitationnel de certaines étoiles massives qui explosent en supernovae.
  • On sait qu'il existe, au cœur de certaines galaxies, des trous noirs dits supermassifs. Ils contiennent de quelques millions à quelques milliards de masses solaires, mais l'on ne comprend pas bien comment ils se forment.
  • Il pourrait également exister des minitrous noirs issus des phases très primitives de l'univers. L'Homme pourrait en créer grâce à des collisions de particules dans des accélérateurs.

Les astrophysiciens ont des raisons de penser que les trous noirs chargés se déchargent spontanément et très rapidement. Ainsi, ceux qui existent dans l'univers ne devraient être que des trous noirs de Kerr ou de Schwarzschild.

Trous noirs : le prix Nobel de physique pour Chandrasekhar

Subrahmanyan Chandrasekhar avait prévu la formation des trous noirs avant tout le monde au début des années 1930 en découvrant qu'une étoile ayant épuisé son carburant nucléaire et dont la masse dépassait 1,44 masse solaire devait s'effondrer sur elle-même. Bien qu'un tel effondrement gravitationnel puisse parfois simplement conduire à la formation d'une étoile à neutrons, il peut aussi conduire à celle d'un trou noir, comme Robert Oppenheimer et George Volkoff l'ont montré en compagnie d'Hartland Snyder.

La théorie des trous noirs fit l'objet d'impressionnants travaux de la part de Chandrasekhar pendant les années 1970. Avec sa découverte de ce qui s'appelle maintenant « la masse de Chandrasekhar », ils furent en partie à l'origine de son prix Nobel de physique, obtenu en 1983. Comme d'habitude pour la remise de ce prix, le lauréat donna une conférence. À la fin de celle-ci, le grand astrophysicien indien fit de fascinantes remarques concernant la théorie mathématique des trous noirs :

« Je ne sais pas si toute la portée de ce que j'ai dit est claire. Laissez-moi vous expliquer. Les trous noirs sont des objets macroscopiques avec des masses variant de quelques masses solaires à des milliards de masses solaires. Lorsqu'ils peuvent être considérés comme stationnaires et isolés, ils sont tous, chacun d'entre eux, décrits exactement par la solution de Kerr. C'est le seul cas connu où nous avons une description exacte d'un objet macroscopique.

Les objets macroscopiques tout autour de nous sont régis par une variété de forces, décrites par diverses approximations de plusieurs théories physiques. [...] En revanche, les seuls éléments de construction de trous noirs sont nos concepts de base de l'espace et du temps. Ils sont ainsi, presque par définition, les objets macroscopiques les plus parfaits de l'univers. Et, puisque la théorie de la relativité générale nous fournit une famille de solutions dépendant uniquement de deux paramètres pour leur description, ils sont aussi les objets les plus simples de l'univers ».

Trous noirs : le rayonnement de Hawking

Ces considérations posent problème car elles conduisent à penser que toute l'information contenue dans les objets tombant dans un trou noir (à commencer par celle contenue dans une étoile se transformant en trou noir) est définitivement détruite, ou pour le moins inaccessible. Un trou noir devrait donc posséder une entropie et, comme tout objet possédant une entropie, il devrait posséder une température et rayonner. C'est la conclusion à laquelle est arrivé Stephen Hawkingen appliquant la mécanique quantique aux trous noirs, ce qui lui a permis de découvrir que ceux-ci devaient émettre du rayonnement à la façon d'un corps noirchauffé.

Les trous noirs devraient donc s'évaporer par rayonnement Hawking. Pourtant, aucune observation ne soutient cette théorie à ce jour, bien qu'elle semble très solide sur les bases de la physique théorique actuelle. Elle conduit cependant à des paradoxes, comme le paradoxe de l'information et le paradoxe du pare-feu, dont les solutions révolutionneraient la physique.

Les astrophysiciens cherchent à démontrer que les objets qui se comportent comme des trous noirs le sont vraiment, c'est-à-dire qu'ils possèdent des horizons des évènements. L'étude des ondes gravitationnelles émises par des fusions de trous noirs, avec Ligo mais surtout eLisa, et peut-être aussi le Event Horizon Telescope, pourrait nous apporter des réponses à ce sujet.

Pour les nuls :

Qu'est-ce qu'un trou noir ?

Pour comprendre dans son intimité ce type de phénomène, il faut admettre deux choses :

a) Rien dans l'univers ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière (rien, ok ?)

et

b) Les masses s'attirent entre elles (c'est la gravité).

Donc, vous savez que vous êtes attiré par la terre, c'est pour cela que les pommes tombent vers le sol.

Ce que vous avez peut-être constaté, c'est que sur la lune, les pommes tombent aussi, mais moins fort. Les astronautes font des bonds de géant (dit "lunaires") car l'attraction de la lune est moins forte que sur la terre.
 



C'est parce que la lune est plus petite.

Elle pourrait être moins dense aussi.

Inversement, si vous allez sur une planète plus grosse ou plus dense, vous allez être écrasés au sol par la gravitation, comme si vous étiez dans un grand huit en permanence.

On peut imaginer des planètes de plus en plus grosses ou de plus en plus denses qui donc plaquent sur le sol de façon de plus en plus forte ce qui est dessus.

Il est difficile d'y respirer...et d'en partir !

Pour échapper à la gravitation terrestre, il faut "voler" à une vitesse minimum (de 11 km/s). Ce qui est intéressant, c'est que vous pouvez voler dans toutes les directions, à 11km/s vous êtes sûr d'arriver à un moment loin dans l'espace.  C'est la vitesse de libération.

Bref. Cette vitesse minimum, celle des fusées qui permettent d'envoyer des sondes, est plus importante si la planète est plus grosse.

Maintenant imaginez une planète si dense et si grosse (en fait c'est une étoile, à cette taille là !) que la vitesse nécessaire pour s'en échapper soit supérieure à celle de la vitesse de lumière.

Or, comme vous le savez (point a), on ne peut pas aller plus vite que la vitesse de la lumière.

Cela veut dire que vous serez prisonnier de cet endroit.

Vous ne pourrez pas vous en échapper.

A vrai dire, rien ne pourra s'en échapper.

Pas même la lumière.

C'est pour cela que tout est noir dedans et autour de cette chose, que l'on appelle un trou noir, mais ce n'est pas un trou, il y a bien quelque chose en dur, comme une planète noire (peut-être qu'elle a une autre couleur, personne ne sait ce qu'il y a au travers du voile noir), dedans.

Et ainsi le trou noir "avale" et plaque sur son "sol" toute chose qui traîne à coté. Inutile de dire que si vous créez un trou noir près de la terre, on en a pas pour longtemps...

De même, les trous noirs, vu qu'ils ne sont pas des trous, ne sont pas ces fameux trous de la SF dans lesquels les vaisseaux peuvent plonger pour ré-émerger de l'autre coté de la galaxie, dans d'hypothétiques "trous blancs" donc l'existence est totalement théorique.

                                                               La Pintade Rose 

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