vendredi 24 août 2012

Les Trous Noirs Oscillent Aussi...

On le sait ici, les trous noirs sont parmi les plus étonnantes prédictions de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Pris seuls, les trous noirs peuvent être décrits simplement par leur masse et leur rotation (spin). Il sont invisibles, sauf lorsqu'ils se nourissent de gaz environnant, voire d'étoiles entières, qu'ils peuvent complètement déchirer par les forces de marées qu'ils provoquent.

Les trous noirs supermassifs peuvent atteindre plusieurs dizaines de millions et jusqu'à plusieurs milliards de masses solaires. De tels événements de désintégration d'étoiles par des trous noirs supermassifs ont été observés seulement à quelques reprises. Récemment, une nouvelle observation de ce type a été rapportée par l'astronome R. Reis et ses collaborateurs. Cet événement, qui a été mesuré grâce au satellite Swift, porte le doux nom de Sw J1644 57.
Et cette observation apporte une jolie particularité : le signal de rayons X observé possède une oscillation cohérente statistiquement significative.

Le signal oscille avec une fréquence de 0.005 Hz. C'est faible vous allez me dire. Mais pas pour un trou noir supermassif. En fait cette fréquence est si "élevée" qu'on en déduit que cette émission est due à un processus physique qui a lieu tout près de l'horizon des événements du trou noir.
Vue d'artiste du phénomène d'OQP (Science)
Et c'est là que ça devient passionnant, car qui dit proximité de l'horizon, dit très fort champ de gravité. Ces observations d'oscillations quasi-périodiques (c'est comme ça qu'on les appelle), pourraient donc permettre de tester la relativité générale dans un environnement encore jamais atteint de très forte courbure de l'espace-temps...

Des oscillations quasi-périodiques ont déjà été étudiées dans des binaires X, systèmes contenant une étoile compagnon et un objet compact comme une étoile à neutron ou un trou noir stellaire. Les plus hautes fréquences observées dans ces objets avoisinaient les 450 Hz pour l'objet GRO 1655-1640 (on parle alors d'oscillations quasi périodiques à haute fréquence).

Concernant les trous noirs supermassifs, un seul cas d'oscillation à haute fréquence a été rapporté, dans l'objet RE J1034 396. Notre trou noir supermassif à nous, Sgr A* ne montre malheureusement pas d'oscillations dans son signal X.

Les oscillations quasi-périodiques (OQP) sont classifiées "haute fréquence" ou "basse fréquence" en fonction de la fréquence attendue compte tenu de la masse de l'objet. Une OQP est de type OQP-HF quand la masse du TN implique que l'OQP est produite à proximité de l'objet compact.

Le trou noir supermassif à l'origine de l'observation de Reis et al. est estimé avoir une masse de plusieurs millions de soleils. Si on échelonne la fréquence avec l'échelle naturelle de temps gravitationnel, l'OQP observée est proche des OQP observées ayant les plus hautes fréquences dans les systèmes binaires X, ce qui donne une certaine cohérence pour les OQP-HF sur plus de 5 décades en masse pour les trous noirs. Cela veut aussi dire que ces événements de déchirement d'étoile par effet de marée indiquent les mêmes phénomènes physiques de forte gravité que ceux observés dans les petits systèmes binaires.

Le nouvel événément Sw J1644 57, venant après le précédent RE J1034 396, tend à suggérer que les OQP pourraient être communes à tous les trous noirs supermassifs. Nous connaissons aujourd'hui moins de 10 OQP-HF sur une vingtaine de binaires X dans notre galaxie.

La possibilité de découvrir beaucoup plus de OQP-HF dans les nombreux trous noirs supermassifs au-delà de notre galaxie offre l'espoir de mieux comprendre comment les OQP-HF sont générés. En effet, ces nouvelles observations suggèrent que le processus physique produisant les OQP-HF est commun aux petits et aux très gros trous noirs.

Pour pouvoir ensuite exploiter ces oscillations quasi-périodiques de rayons X, il faut comprendre la physique des phénomènes qui les ont produits.
Des calculs divers proposent plusieurs modèles, reposant tous bien sûr ce que l'on croit déjà connaitre de la façon dont la matière environnante interagit avec un trou noir.
Une partie du plasma forme un épais disque en rotation tandis que d'autres matériaux sont éjectés dans un "vent" ou un jet relativiste. Certains modèles d'OQP suggèrent que le disque se comporte à la manière d'une dynamo semi-rigide produisant des oscillations magnétiques. D'autres modèles suggèrent que c'est l'interface
entre le disque et les jets qui produit les oscillations observées.

Une fois bien compris l'origine de ce phénomène, l'espoir des chercheurs est de pouvoir l'exploiter pour en déduire des paramètres cruciaux comme la masse du trou ainsi que sa vitesse de rotation, et pourquoi pas, cerise sur le gâteau, tester la relativité générale en conditions extrêmes de très forte gravité...

Les oscillations quasi-périodiques de haute fréquence sont ainsi un nouvel outil potentiellement puissant dans les mains des astrophysiciens, qui ne manqueront pas de s'en servir, en l'ajoutant à leur trousse à outils spéciale Trous Noirs qui s'enrichit de jours en jours.


Sources :

A 200-Second Quasi-Periodicity After the Tidal Disruption of a Star by a Dormant Black Hole
R. C. Reis et al.
Science Vol. 337 no. 6097 pp. 949-951 (24 August 2012)

Probing Black Hole Gravity
J.C. McKinney
Science  Vol. 337 no. 6097 pp. 916-917 (24 August 2012)