13/07/16

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)


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).

2 commentaires :

Copydetect a dit…

I believe there is no frame-dragging effect of gravity on mass, only on electromagnetic energy!
Curiously, the Lense-Thirring effect in Gravity Probe B has the same value than the geodetic effect of the Earth around the Sun.
Kinetic energy of a rotating body like Earth will increase gravity but more in the sense of classical force than classical aether!
An interesting experiment!
Understanding Gravity Probe-B experiment without math
http://www.molwick.com/en/gravitation/082-gravity-probe-b.html
http://www.molwick.com/en/gravitation/r-lense-thirring-frame-dragging.jpg

amocchetti a dit…

QU'EST-CE QU’UN VORTEX ESPACE - TEMPS ET UN TROU DE VER ?
Un Vortex Espace – Temps ou Porte Spatio-Temporelle est un 4ème type de VORTEX qui permet de voyager à la fois dans l’Espace et dans le Temps :
- Voyager dans l’Espace en reliant un Univers Multiple à un autre,
- Voyager dans l’Espace en reliant un Univers Parallèle à un autre,
- Voyager dans l’Espace en reliant 2 points au sein du même Univers Multiple ou du même Univers Parallèle.
Il permet de voyager également dans le Temps :
- Du Futur vers le Passé,
- Du Passé vers le Futur.
Certains Vortex qui permettent de voyager dans l’Espace Temps sont appelés TROU DE VER.
Définition d’un Trou de Ver :
Un trou de ver est, en physique, un objet hypothétique qui relierait deux feuillets distincts ou deux régions distinctes de l'espace-temps et se manifesterait, d'un côté, comme un trou noir et, de l'autre côté, comme un trou blanc. Un trou de ver formerait un raccourci à travers l'espace-temps. Pour le représenter plus simplement, on peut se représenter l'espace-temps non en quatre dimensions mais en deux dimensions, à la manière d'un tapis ou d'une feuille de papier. La surface de cette feuille serait pliée sur elle-même dans un espace à trois dimensions. L'utilisation du raccourci « trou de ver » permettrait un voyage du point A directement au point B en un temps considérablement réduit par rapport au temps qu'il faudrait pour parcourir la distance séparant ces deux points de manière linéaire, à la surface de la feuille. Visuellement, il faut s'imaginer voyager non pas à la surface de la feuille de papier, mais à travers le trou de ver, la feuille étant repliée sur elle-même permet au point A de toucher directement le point B. La rencontre des deux points serait le trou de ver. L'utilisation d'un trou de ver permettrait le voyage d'un point de l'espace à un autre (déplacement dans l'espace), le voyage d'un point à l'autre du temps (déplacement dans le temps) et le voyage d'un point de l'espace-temps à un autre (déplacement à travers l'espace et en même temps à travers le temps). Les trous de ver sont des concepts purement théoriques : l'existence et la formation physique de tels objets dans l'Univers n'ont pas été vérifiées. Il ne faut pas les confondre avec les trous noirs, dont l'existence tend à être confirmée par de nombreuses observations, dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière de s'en échapper.
Alain Mocchetti
Ingénieur en Construction Mécanique & en Automatismes
Diplômé Bac + 5 Universitaire (1985)
UFR Sciences de Metz
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alainmocchetti@gmail.com
@AlainMocchetti