CAF-Elhuyar 2018 : Symphonie de trous noirs
La plupart des galaxies ont un trou noir géant au centre. Et ces énormes trous noirs, qui cachent à l'intérieur la masse des millions d'étoiles et la lumière ne peut pas échapper à eux. Mais ces gigantesques trous noirs ont une grande influence sur les galaxies, car leurs grands champs gravitationnels attirent la matière qui les entoure et peuvent provoquer de forts changements dans les galaxies hôtelières. L'objectif de cette thèse de doctorat a été d'analyser l'interaction entre de gigantesques trous noirs et galaxies. Bienvenue dans ce curieux spectacle cosmique: commence la symphonie des trous noirs.
Le cœur noir des galaxies
Nous pourrions dire que tout ce qui est autour de nous est la poussière des étoiles et la plupart des atomes qui forment notre corps. Pour créer des éléments lourds, il faut des explosions cosmiques comme des explosions d'étoiles massives comme des supernovae ou des chocs d'étoiles à neutrons. Ces phénomènes émettent autant d'énergie, dans laquelle les particules élémentaires peuvent se réorganiser en formant des éléments lourds, tandis que l'explosion disperse à travers la galaxie, donnant lieu à de nouvelles étoiles et planètes. De plus, les explosions d'étoiles massives laissent derrière elles un trou noir.
Mais, si les trous noirs attrapent également la lumière, comment est-il possible de trouver et d'analyser des trous noirs? Nous ne pouvons pas voir ce qui se passe à l'intérieur du trou, mais nous pouvons mesurer l'influence des trous noirs sur eux, c'est-à-dire analyser indirectement les trous noirs en enquêtant sur leurs conséquences. Au cours de la dernière décennie, suivant avec soin le mouvement des étoiles qui se trouvent au centre de notre Voie lactée, il a été possible de déduire l'existence d'un énorme trou noir. Les lois de Newton nous disent que les étoiles qui sont en orbite autour d'un point tourneront plus vite quand la masse du centre sera plus grande, et c'est ce qu'elles ont conclu : l'équivalent de milliards d'étoiles est concentré dans le noyau de la Voie lactée (Figure 1). Ce qui est au centre de notre galaxie est le trou noir géant le plus proche de nous, mais comme nous sommes immergés dans notre galaxie, il n'est pas facile de palper les conséquences globales du trou noir. Quand nous sommes dans la forêt, nous pouvons voir les arbres avec une grande précision, mais en même temps perdre la perspective de toute la forêt. C'est pourquoi, dans cette thèse de doctorat, nous avons observé une galaxie en dehors de la Voie lactée, la célèbre spirale M51.
Voyage galactique au trou noir
L'organisation du gaz a une grande importance, car elle conditionne la création de nouvelles étoiles. Et dans la galaxie M51 le gaz n'est pas immobile, mais se déplace vers le centre, qui est le premier grand résultat de cette thèse de doctorat. Pour conclure cela, il est indispensable de bien connaître le champ gravitationnel de la galaxie. Cette zone gravitationnelle peut être étudiée grâce aux images provenant du télescope spatial Spitzer de la NASA, qui reçoit des ondes infrarouges et reflètent la position de la masse des étoiles. Il est facile de calculer le champ gravitationnel qui génère cette masse et l'effet qu'elle aura sur le gaz. Mais pour cela, il faudrait aussi une carte précise du gaz, la carte la plus précise à ce jour.
Dans les Alpes françaises, à 2 550 mètres de haut, les antennes paraboliques de l'interféromètre NOEMA observent l'univers. En hiver, les collines autour des antennes sont pleines de skieurs, car les astronomes utilisent des télescopes pour monter sur ces télescopes. Les antennes paraboliques reçoivent des ondes radio qui permettent d'étudier la situation et le mouvement du gaz moléculaire. En outre, en combinant les informations recueillies par différentes antennes, nous pouvons obtenir des images de très haute résolution. Les molécules émettent de l'énergie à certaines longueurs d'onde, en raison des transitions quantiques; la transition fondamentale de la molécule de CO, par exemple, a une longueur d'onde de 2,6 millimètres. Dans la galaxie M51, nous avons détecté cette ligne d'émission en utilisant le NOEMA, avec la précision maximale atteinte jusqu'à présent dans une galaxie externe (Figure 2).
Par conséquent, en utilisant comme traceur la ligne correspondant aux 2,6 mm de la molécule de CO, nous avons pu mesurer le mouvement du champ gravitationnel de la galaxie sur le gaz moléculaire (ou plutôt, quel changement produit au moment angulaire). Ce calcul a montré clairement que le gaz tend à se déplacer lentement vers le centre, atteignant annuellement l'équivalent de la masse du soleil au noyau de la galaxie. Le gigantesque trou noir de la galaxie M51 est donc en constante ingestion de gaz moléculaire et ce transfert de matière a des conséquences importantes, comme expliqué dans la section suivante.
Les quasars et le noyau M51 sont liés
Les quasars sont des sources astronomiques à haute densité énergétique qui émettent une énorme énergie électromagnétique depuis un petit champ. Au début, l'origine de cette énergie n'était pas claire. Aujourd'hui, nous savons que son origine est le gaz qui tombe dans les énormes trous noirs dans les noyaux des galaxies. Autour des trous noirs sont créés des disques d'accentuation, dont les champs magnétiques acquièrent une grande intensité, accélérant les électrons et autres particules élémentaires; ils créent aussi des jets géants de plasma observables par des ondes radio (Figure 3).
Nous savons que le noyau de la galaxie M51 a développé un disque d'acrecion, car on peut voir le jet de plasma à travers des ondes radio. Paradoxalement, l'effet le plus significatif de ce noyau actif est le lancement de gaz moléculaire en dehors du noyau : le transfert de masse qui arrive au trou noir produit cet effet inverse, aidé par des champs magnétiques. Puisque les cartes NOEMA nous fournissent des informations sur la vitesse, nous pouvons analyser en détail ce mouvement et mesurer la masse qui est expulsée. On pourrait dire qu'un certain équilibre dynamique a été atteint dans le noyau : la chute d'une petite quantité de gaz dans le trou noir est la cause que la plupart des gaz sortent du noyau ; dans des cas extrêmes, le gaz quitte la galaxie, ce qui limitera totalement l'avenir de la galaxie. Le principal résultat de la thèse a été la mesure de ce taux d'élimination du gaz, comparant avec des modèles dynamiques la position et la vitesse du gaz mesurée par l'interféromètre NOEMA, et concluant que ce gaz se déplace hors du noyau à une vitesse de 300.000 km/h.
Pour la première fois, nous avons démontré dans cette thèse que le jet de plasma, en plus d'expulser du gaz de l'environnement de l'énorme trou noir, altère l'état du gaz. Ce jet est formé de particules qui se déplacent à une vitesse similaire à celle de la lumière et, par des effets magnéto-hydrodynamiques, augmente la turbulence du gaz qui traverse. En même temps, la turbulence peut éviter l'effondrement du gaz : il n'y a donc pas d'étoile jeune près du noyau de la galaxie M51, car le noyau lui-même a transformé le gaz en stérile. La figure 4 montre la localisation du jet de plasma et résume les effets qu'il produit sur le gaz.
Même le quasar peut contrôler le taux de natalité des étoiles grâce à un tel mécanisme. Les noyaux actifs des galaxies, en plus d'expliquer l'éclat des quasars, peuvent conditionner l'évolution des galaxies. Sinon, les galaxies transformeraient le gaz beaucoup plus rapidement pour former des étoiles, et toutes les galaxies de notre environnement auraient une couleur rouge (couleur des étoiles anciennes et froides), sans bras spiraux, car il est impossible de maintenir les bras spiraux sans gaz. L'interaction entre de gigantesques trous noirs et galaxies est donc indispensable pour expliquer la diversité des galaxies actuelles, et les observations faites dans la galaxie M51 ont révélé les détails importants de ce mécanisme.
Voir et entendre les trous noirs
Le 14 septembre 2015, l'observatoire LIGO détecte les ondes gravitationnelles générées par la jonction de deux trous noirs. Il a été la première détection directe des ondes gravitationnelles, qui ont reçu le prix Nobel de physique Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip S. Aux scientifiques Thorne, pour rendre possible l'observation des ondes gravitationnelles. Cette première détection a été appelée GW150914, pas un nom très poétique, en fait, mais l'utilisation de la date de l'événement facilite la classification. Ces trous noirs heurtés avaient environ 30 masses solaires, ce qui suppose une masse beaucoup plus petite que celle du trou noir géant que nous avons étudié dans cette thèse de doctorat. Le 17 août 2017, LIGO a détecté d'autres ondes gravitationnelles, la cinquième étant la détection mais avec une caractéristique spéciale de cette GW170817. Pour la première fois, en plus de recevoir le signal des ondes gravitationnelles, les scientifiques ont pu détecter ce phénomène à travers tout le spectre électromagnétique. Cette rencontre entre deux étoiles à neutrons a révélé l'existence d'une nouvelle façon d'étudier l'astrophysique: en plus de regarder l'univers, on peut entendre simultanément des ondes gravitationnelles qui s'étendent dans l'espace.
Comme nous l'avons expliqué, les énormes trous noirs ont une grande importance pour les galaxies, car en contrôlant la position et l'état du gaz conditionnent la naissance de nouvelles étoiles (et donc délimiter l'avenir des galaxies complètes). Les trous noirs peuvent être vus transversalement et mesurer l'influence de ces monstres sur les galaxies. Nous avons encore beaucoup à apprendre sur le comportement de ce puissant moteur que les galaxies cachent à l'intérieur, mais les ondes gravitationnelles peuvent nous aider. Il serait fascinant de voir et d'entendre ces mystérieux noyaux de galaxies en même temps et de compléter la mesure suivante de la symphonie de trous noirs.
Bibliographie Bibliographie
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