Une hypothèse de longue date mais non prouvée sur les spectres de rayons X des trous noirs dans l'espace a été contredite par des expériences pratiques réalisées sur la machine Z de Sandia National Laboratories.

Z, la source de rayons X de laboratoire la plus énergétique sur Terre, peut dupliquer les rayons X entourant les trous noirs qui, autrement, ne peuvent être observés qu'à une grande distance et ensuite théorisés.

"Bien sûr, l'émission directement des trous noirs ne peut pas être observée, " a déclaré le chercheur et auteur principal de Sandia Guillaume Loisel, auteur principal d'un article sur les résultats expérimentaux, publié en août dans Lettres d'examen physique . "Nous voyons l'émission de la matière environnante juste avant qu'elle ne soit consommée par le trou noir. Cette matière environnante est forcée à prendre la forme d'un disque, appelé un disque d'accrétion."

Les résultats suggèrent que des révisions sont nécessaires aux modèles précédemment utilisés pour interpréter les émissions de la matière juste avant qu'elle ne soit consommée par les trous noirs, et aussi le taux de croissance de la masse connexe dans les trous noirs. Un trou noir est une région de l'espace à partir de laquelle aucun matériau et aucun rayonnement (c'est-à-dire, rayons X, lumière visible, et ainsi de suite) peuvent s'échapper parce que le champ gravitationnel du trou noir est si intense.

"Nos recherches suggèrent qu'il sera nécessaire de retravailler de nombreux articles scientifiques publiés au cours des 20 dernières années, " a déclaré Loisel. "Nos résultats remettent en question les modèles utilisés pour déduire à quelle vitesse les trous noirs avalent la matière de leur étoile compagnon. Nous sommes optimistes que les astrophysiciens mettront en œuvre tous les changements jugés nécessaires. »

La plupart des chercheurs s'accordent à dire qu'un excellent moyen d'en savoir plus sur les trous noirs est d'utiliser des instruments satellitaires pour collecter des spectres de rayons X, a déclaré le co-auteur de Sandia, Jim Bailey. "Le hic, c'est que les plasmas qui émettent les rayons X sont exotiques, et les modèles utilisés pour interpréter leurs spectres n'ont jamais été testés en laboratoire jusqu'à présent, " il a dit.

L'astrophysicien de la NASA Tim Kallman, l'un des co-auteurs, mentionné, "L'expérience Sandia est passionnante parce que c'est la plus proche que l'on ait jamais vue pour créer un environnement qui soit une recréation de ce qui se passe près d'un trou noir."

La théorie laisse derrière elle la réalité

La divergence entre la théorie et la réalité a commencé il y a 20 ans, lorsque les physiciens ont déclaré que certaines étapes d'ionisation du fer (ou des ions) étaient présentes dans le disque d'accrétion d'un trou noir - la matière entourant un trou noir - même lorsqu'aucune raie spectrale n'indiquait leur existence. L'explication théorique compliquée était que sous l'immense gravité d'un trou noir et un rayonnement intense, les électrons de fer hautement énergisés ne sont pas retombés à des états d'énergie inférieurs en émettant des photons - l'explication quantique courante de la raison pour laquelle les matériaux énergisés émettent de la lumière. Au lieu, les électrons ont été libérés de leurs atomes et se sont glissés comme des loups solitaires dans une obscurité relative. Le processus général est connu sous le nom de pourriture Auger, d'après le physicien français qui l'a découvert au début du 20e siècle. L'absence de photons dans le cas du trou noir est appelée destruction Auger, ou plus formellement, l'hypothèse de destruction de la tarière résonante.

Cependant, chercheurs Z, en dupliquant les énergies des rayons X entourant les trous noirs et en les appliquant à un film de silicium de la taille d'un sou aux densités appropriées, a montré que si aucun photon n'apparaît, alors l'élément générateur n'est tout simplement pas là. Le silicium est un élément abondant dans l'univers et subit l'effet Auger plus fréquemment que le fer. Par conséquent, si Resonant Auger Destruction se produit dans le fer, cela devrait également se produire dans le silicium.

"Si la destruction de la tarière résonnante est un facteur, cela aurait dû arriver dans notre expérience car nous avions les mêmes conditions, la même densité de colonnes, la même température, " dit Loisel. " Nos résultats montrent que si les photons ne sont pas là, les ions ne doivent pas être là non plus. "Cette découverte d'une simplicité trompeuse, après cinq ans d'expérimentation, remet en question les nombreux articles astrophysiques basés sur l'hypothèse de la destruction de la vis sans fin.

L'expérience Z a imité les conditions trouvées dans les disques d'accrétion entourant les trous noirs, qui ont des densités de plusieurs ordres de grandeur inférieures à celles de l'atmosphère terrestre.

« Même si les trous noirs sont des objets extrêmement compacts, leurs disques d'accrétion - les grands plasmas dans l'espace qui les entourent - sont relativement diffus, " dit Loisel. " Sur Z, nous avons expansé le silicium 50, 000 fois. C'est une très faible densité, cinq ordres de grandeur de moins que le silicium solide."

Il s'agit d'une représentation d'artiste du trou noir nommé Cygnus X-1, formé lorsque la grande étoile bleue à côté d'elle s'est effondrée dans la plus petite, matière extrêmement dense. (Image avec l'aimable autorisation de la NASA) Cliquez sur la vignette pour une image haute résolution.

L'histoire des spectres

La raison pour laquelle les théories précises sur la taille et les propriétés d'un trou noir sont difficiles à trouver est le manque d'observations de première main. Les trous noirs ont été mentionnés dans la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein il y a un siècle, mais étaient d'abord considérés comme un concept purement mathématique. Plus tard, les astronomes ont observé les mouvements modifiés des étoiles sur les attaches gravitationnelles alors qu'elles tournaient autour de leur trou noir, ou plus récemment, signaux d'ondes de gravité, également prédit par Einstein, des collisions de ces trous noirs. Mais la plupart de ces entités remarquables sont relativement petites - environ 1/10 de la distance de la Terre au Soleil - et à plusieurs milliers d'années-lumière. Leurs tailles relativement petites à d'immenses distances rendent impossible leur image avec le meilleur des télescopes d'un milliard de dollars de la NASA.

Ce qui est observable, ce sont les spectres libérés par les éléments du disque d'accrétion du trou noir, qui alimente ensuite le matériau dans le trou noir. "Il y a beaucoup d'informations dans les spectres. Ils peuvent avoir plusieurs formes, " a déclaré Kallman de la NASA. " Les spectres des ampoules à incandescence sont ennuyeux, ils ont des pics dans la partie jaune de leurs spectres. Les trous noirs sont plus intéressants, avec des bosses et des ondulations dans différentes parties du spectre. Si vous pouvez interpréter ces bosses et ces mouvements, tu sais combien de gaz, quelle chaleur, comment ionisé et dans quelle mesure, et combien d'éléments différents sont présents dans le disque d'accrétion."

Loisel a dit :" Si nous pouvions aller au trou noir et prendre une boule du disque d'accrétion et l'analyser en laboratoire, ce serait le moyen le plus utile de savoir de quoi est fait le disque d'accrétion. Mais comme on ne peut pas faire ça, nous essayons de fournir des données testées pour les modèles astrophysiques."

Alors que Loisel est prêt à dire R.I.P. à l'hypothèse de la destruction de la tarière résonante, il est toujours conscient des implications d'une consommation de masse plus élevée de trous noirs, dans ce cas du fer absent, n'est qu'une possibilité parmi d'autres.

"Une autre implication pourrait être que les lignes des ions de fer hautement chargés sont présentes, mais les lignes ont été mal identifiées jusqu'à présent. C'est parce que les trous noirs déplacent énormément les raies spectrales en raison du fait que les photons ont du mal à échapper au champ de gravitation intense, " il a dit.

Il existe maintenant des modèles en cours de construction ailleurs pour les objets alimentés par l'accrétion qui n'utilisent pas l'approximation de la destruction par vis résonante. "Ces modèles sont forcément compliqués, et il est donc encore plus important de tester leurs hypothèses avec des expériences de laboratoire, " dit Loisel.