Première observation de l'effet de vortex gravitationnel autour d'un trou noir

La première détection d’un effet gravitationnel relativiste prédit depuis des décennies (l’effet Lense-Thirring) agissant autour d’un trou noir vient d’être publiée. L’effet a été mis en évidence par l’observation d’oscillations quasi périodiques des émissions de rayons X provenant du disque d’accrétion d’un trou noir stellaire.

Des oscillations quasi-périodiques (QPO) du flux de rayons X sont très souvent observées sur des trous noirs stellaires en train d’accréter du gaz. Ces oscillations sont notamment bien visibles sur une raie d’émission du fer ionisé (en rayons X), qui est le fruit de réflexions de photons sur le disque d’accrétion et dont la forme dans le spectre est distordue par les mouvements relativistes du plasma en rotation ainsi que par le champ gravitationnel du trou noir lui-même.

L’origine physique de ces oscillations a longtemps été débattue et a été souvent attribuée au phénomène de précession relativiste (ou effet Lense-Thirring, du nom des physiciens autrichiens Josef Lense et Hans Thirring qui l’ont trouvé en 1918 à partir des équations de la Relativité Générale). Ce dernier produit une précession de la matière par l’effet d’entrainement de l’espace-temps que le trou noir induit par sa rotation, on l’appelle ainsi parfois l’effet de vortex gravitationnel. La raie d’émission du fer doit alors se retrouver tour à tour décalée vers les plus basses longueurs d’ondes et vers les plus hautes longueurs d’ondes en fonction de la zone du disque d’accrétion.

L’équipe d’astrophysiciens dirigée par Adam Ingram (Université d’Amsterdam) a observé le trou noir binaire H1743−322 à l’aide de deux télescopes spatiaux à rayons X : l’européen XMM-Newton et l’américain NuSTAR. Ils observent que la raie du fer varie systématiquement avec une périodicité de 4 secondes. Cette variation particulière apparaît tout à fait cohérente avec l’effet Lense-Thirring calculé pour ce trou noir. C’est la première fois que des chercheurs parviennent à observer cet effet dans un régime à fort champ gravitationnel comme celui d’un trou noir. L’effet Lense-Thirring a en effet pu être mesuré dans le passé, mais dans le champ gravitationnel de la Terre, par un satellite dédié (Gravity Probe B en 2004), et il se révèle minuscule à cette échelle.

C’est dans les années 1980 que des variations quasi-périodiques dans la luminosité X de trous noirs avaient été observées pour la première fois. La période d’oscillation pouvait atteindre 10 s et évoluer en l’espace de quelques semaines pour se raccourcir jusqu’à disparaître complètement et brutalement. Les astronomes ont très vite été fascinés par ces oscillations de luminosité X car ils avaient compris que leur origine devait être le voisinage immédiat du trou noir. Dans les années 1990, les spécialistes ont commencé à imaginer que ces QPO pouvaient être liées à l’effet Lense-Thirring.

Cet effet de vortex gravitationnel peut être visualisé en imaginant que vous faites tourner une cuillère dans un pot de miel, le miel étant l’espace-temps. Lorsque vous tournez la cuillère (id est le trou noir), tout le volume du miel est emporté par la rotation du fait de sa viscosité. Tout ce qui se trouve englué dans le miel subit la rotation, même sans avoir de vitesse initiale. De façon similaire, tout objet proche du trou noir voit sa vitesse modifiée à cause de l’effet de la rotation du trou noir sur l’espace-temps dans lequel il baigne. Dans le cas où l’objet en orbite autour du trou noir suit une trajectoire légèrement inclinée, l’effet se traduit par une précession de son orbite : toute l’orbite va changer d’orientation au cours du temps de manière périodique. C’est cela que Adam Ingram et ses collègues viennent de mettre en évidence au niveau du disque d’accrétion riche en fer de H1743−322.

En 2009, Ingram avait montré avec d’autres collègues, sur le papier, que les QPO devaient être produites par l’effet Lense-Thirring des régions les plus chaudes et proches du trou noir. Il lui aura fallu plus de six ans pour enfin pouvoir démontrer observationnellement son idée. Les chercheurs ont pour cela enregistré les rayons X en provenance de H1743−322 durant 72 h  avec XMM-Newton et près de 20h avec NuSTAR pour distinguer les changements périodiques de la position de la raie du fer dans le spectre mesuré, signal caractéristique et preuve de l’effet recherché.

Adam Ingram précise : « Nous avons directement mesuré la vitesse de la matière dans un intense champ gravitationnel au voisinage d’un trou noir ! Et quand on peut faire ça, on peut vraiment tester la Relativité Générale. ». La technique utilisée par les auteurs de cette étude, qui est publiée dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, devrait maintenant permettre à l’avenir de produire des cartographies des régions internes des disques d’accrétion de trous noirs, en plus de tester la théorie d’Einstein dans des conditions de plus en plus extrêmes, où les tests sont encore très rares.

Pour être honnête, il faut dire que de nombreux astrophysiciens espèrent en secret que ces types de tests de la Relativité Générale en champ fort aboutissent à des écarts avec la théorie, ce qui ouvrirait des portes vers une théorie de la gravitation plus profonde. Nous n’en sommes qu’aux débuts…

Source :

A quasi-periodic modulation of the iron line centroid energy in the black hole binary H1743−322

A.Ingram et al.

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 461 (2)  (12 July 2016)

http://dx.doi.org/10.1093/mnras/stw1245

Illustrations :

1) Vue d'artiste du phénomène observé de précession du disque d'accrétion interne produit par l'effet Lense-Thirring autour du trou noir stellaire H1743−322. (ESA/ATG medialab)

2) Couverture des Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Oxford Press)

3) Vue d'artiste du télescope XMM-Newton (ESA).