À quelle distance pouvez-vous vous rapprocher d'un trou noir?

Les flots de gaz tombent à leur perte, plongeant dans des trous noirs, enfermés à jamais loin de l'univers. Dans leurs derniers instants, ces lambeaux gazeux envoient une dernière flambée de lumière, certaines des émissions les plus brillantes de l'univers. 

Ces plongées mortelles sont trop loin pour être vues directement, mais les astronomes ont mis au point une nouvelle technique pour détecter leurs appels paniqués à l'aide. Ils utilisent la méthode pour tester nos connaissances de la gravité dans les environnements les plus extrêmes de l'univers.

Dans une nouvelle étude, les physiciens ont examiné les caractéristiques spécifiques de cette lumière pour déterminer le plus proche possible d'un trou noir sans avoir à travailler dur pour éviter une catastrophe - un seuil appelé orbite circulaire stable la plus interne ou ISCO. Les chercheurs ont découvert que leur méthode pourrait fonctionner avec des télescopes à rayons X plus sensibles mis en ligne. 

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Au-dessus de la cascade

L'horizon des événements d'un trou noir est la ligne invisible dans le sable à travers laquelle vous ne pouvez jamais revenir. Une fois que quelque chose passe à travers l'horizon des événements, même la lumière elle-même, il ne peut plus retourner dans l'univers. La gravité du trou noir est trop forte dans cette région.

En dehors d'un trou noir, cependant, tout est juste dandy. Un trou noir particulier aura une certaine masse (de quelques fois la masse du soleil pour les plus petits de la galaxie à des milliards de fois plus lourd pour les vrais monstres errant dans le cosmos), et la mise en orbite du trou noir est juste comme en orbite autour de quoi que ce soit d'autre de masse identique. La gravité n'est que la gravité et les orbites sont des orbites.

En effet, beaucoup de choses dans l'univers se retrouvent en orbite autour des trous noirs. Une fois que ces aventuriers imprudents sont pris dans l'étreinte gravitationnelle du trou noir, ils commencent le voyage vers la fin. Au fur et à mesure que le matériau tombe vers le trou noir, il a tendance à se presser dans une bande fine comme un rasoir connue sous le nom de disque d'accrétion. Ce disque tourne et tourne, avec la chaleur, la friction et les forces magnétiques et électriques qui l'alimentent, faisant briller le matériau.

Dans le cas des trous noirs les plus massifs, les disques d'accrétion qui les entourent brillent si intensément qu'ils prennent un nouveau nom: noyaux galactiques actifs (AGN), capables de surpasser des millions de galaxies individuelles..

Dans le disque d'accrétion, des morceaux individuels de matériau se frottent contre d'autres morceaux, les drainant d'énergie de rotation et les poussant toujours vers l'intérieur vers la gueule béante de l'horizon des événements du trou noir. Mais quand même, s'il n'y avait pas ces forces de frottement, le matériau pourrait orbiter autour du trou noir à perpétuité, de la même manière que les planètes peuvent orbiter autour du soleil pendant des milliards d'années..

Un appel à l'aide

En vous rapprochant du centre du trou noir, vous atteignez un certain point où tous les espoirs de stabilité se heurtent aux roches de la gravité. Juste à l'extérieur du trou noir, mais avant d'atteindre l'horizon des événements, les forces gravitationnelles sont si extrêmes que les orbites stables deviennent impossibles. Une fois que vous atteignez cette région, vous ne pouvez pas rester en orbite placide. Vous n'avez que deux choix: si vous avez des fusées ou une autre source d'énergie, vous pouvez vous propulser en sécurité. Mais si vous êtes un morceau de gaz malheureux, vous êtes condamné à tomber librement vers le cauchemar sombre qui attend ci-dessous.

Cette frontière, l'orbite circulaire stable la plus interne (ou ISCO pour les amoureux du jargon astronomique), est une prédiction ferme de la théorie générale de la relativité d'Einstein, la même théorie qui prédit l'existence de trous noirs en premier lieu.

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Malgré le succès de la relativité générale dans la prédiction et l'explication des phénomènes à travers l'univers, et notre connaissance certaine que les trous noirs sont réels, nous n'avons jamais été en mesure de vérifier l'existence de la CITP et si elle est conforme aux prédictions de la relativité générale..

Mais le gaz qui tombe à sa fin peut nous fournir un moyen de vérifier cette existence.

Lumières dansantes

Une équipe d'astronomes a récemment publié un article dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, qui a également été téléchargé dans le journal préimprimé arXiv, décrivant comment tirer parti de cette lumière mourante pour étudier l'ISCO. Leur technique repose sur une astuce astronomique connue sous le nom de cartographie de réverbération, qui tire parti du fait que différentes régions autour du trou noir s'illuminent de différentes manières..

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Lorsque le gaz s'écoule du disque d'accrétion, au-delà de l'ISCO - la partie la plus interne du disque d'accrétion - et dans le trou noir lui-même, il devient si chaud qu'il émet une large bande de rayons X de haute énergie. Cette lumière à rayons X brille dans toutes les directions à l'écart du trou noir. Nous pouvons voir cette émission depuis la Terre, mais les détails de la structure du disque d'accrétion se perdent dans le feu de la gloire des rayons X. (En savoir plus sur le disque d'accrétion aidera également les astrophysiciens à se familiariser avec la CITP.)

Cette même lumière à rayons X éclaire également des régions bien en dehors du disque d'accrétion, régions dominées par des amas de gaz froid. Le gaz froid devient excité par les rayons X et commence à émettre sa propre lumière, dans un processus appelé fluorescence. Nous pouvons également détecter cette émission, séparément de l'incendie des rayons X émanant des régions les plus proches du trou noir.

Il faut du temps à la lumière pour aller de la CITP et de la partie externe du disque d'accrétion vers le gaz froid; si nous observons attentivement, nous pouvons observer dans un premier temps la flambée des régions centrales (l'ISCO et les parties les plus internes du disque d'accrétion), suivie de peu de temps par l'allumage de «réverbération» des couches à l'extérieur de l'ISCO et du disque d'accrétion immédiatement environnant.

Le moment et les détails de la lumière réverbérée dépendent de la structure du disque d'accrétion, que les astronomes ont précédemment utilisé pour estimer la masse des trous noirs. Dans cette étude la plus récente, les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques sophistiquées pour voir comment le mouvement du gaz au sein de la CITP - comment le gaz meurt lorsqu'il tombe finalement vers l'horizon des événements du trou noir - affecte l'émission de rayons X à la fois à proximité et à l'extérieur. gaz.

Ils ont constaté que même si nous n'avons actuellement pas la sensibilité pour mesurer le gaz condamné, la prochaine génération de télescopes à rayons X devrait pouvoir le faire, nous permettant de confirmer l'existence de l'ICSO et de tester s'il est d'accord avec les prédictions générales. relativité, peut-être dans les régions les plus gravitationnelles extrêmes de l'univers entier.

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Publié à l'origine le . 

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