Les trous noirs sont des choses bizarres, même selon les normes des astronomes. Leur masse est si grande qu'elle courbe si étroitement l'espace autour d'eux que rien ne peut s'échapper, même la lumière elle-même.
Et pourtant, malgré leur fameuse noirceur, certains trous noirs sont bien visibles. Le gaz et les étoiles que ces vides galactiques dévorent sont aspirés dans un disque lumineux avant leur voyage aller simple dans le trou, et ces disques peuvent briller plus intensément que des galaxies entières.
Plus étrange encore, ces trous noirs scintillent . La luminosité des disques lumineux peut fluctuer d'un jour à l'autre, et personne ne sait vraiment pourquoi.
Nous nous sommes appuyés sur les efforts de défense contre les astéroïdes de la NASA pour observer pendant cinq ans plus de 5 000 des trous noirs à croissance la plus rapide dans le ciel, dans le but de comprendre pourquoi ce scintillement se produit. Dans un article publié dans Nature Astronomy le 2 février 2023, nous avons rapporté notre réponse :il s'agit d'une sorte de turbulence provoquée par la friction et des champs gravitationnels et magnétiques intenses.
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Nous étudions les trous noirs supermassifs, ceux qui se trouvent au centre des galaxies et sont aussi massifs que des millions ou des milliards de soleils.
Notre propre galaxie, la Voie lactée, possède en son centre l’une de ces géantes, avec une masse d’environ 4 millions de soleils. Pour la plupart, les quelque 200 milliards d'étoiles qui composent le reste de la galaxie (y compris notre soleil) gravitent joyeusement autour du trou noir situé au centre.
Cependant, les choses ne sont pas aussi paisibles dans toutes les galaxies. Lorsque des paires de galaxies s'attirent l'une sur l'autre par gravité, de nombreuses étoiles peuvent se retrouver trop près du trou noir de leur galaxie. Cela se termine mal pour les étoiles :elles sont déchirées et dévorées.
Nous sommes convaincus que cela a dû se produire dans des galaxies dotées de trous noirs pesant jusqu'à un milliard de soleils, car nous ne pouvons pas imaginer comment ils auraient pu atteindre une telle taille autrement. Cela s'est peut-être également produit dans la Voie Lactée dans le passé.
Les trous noirs peuvent également se nourrir de manière plus lente et plus douce :en aspirant les nuages de gaz soufflés par les étoiles gériatriques appelées géantes rouges.
Dans notre étude, nous avons examiné de près le processus d'alimentation des 5 000 trous noirs à la croissance la plus rapide de l'univers.
Lors d’études antérieures, nous avons découvert les trous noirs ayant l’appétit le plus vorace. En 2022, nous avons découvert un trou noir qui consomme l’équivalent de la Terre chaque seconde. En 2018, nous avons découvert un autre trou noir qui dévore un soleil entier toutes les 48 heures.
Mais nous nous posons de nombreuses questions sur leur comportement alimentaire réel. Nous savons que la matière qui pénètre dans le trou se transforme en spirale pour former un « disque d'accrétion » brillant qui peut être suffisamment brillant pour éclipser des galaxies entières. Ces trous noirs visiblement nourris sont appelés quasars.
La plupart de ces trous noirs sont très, très loin – beaucoup trop loin pour que nous puissions voir le moindre détail des disques. Nous avons quelques images de disques d'accrétion autour des trous noirs proches, mais ils respirent simplement du gaz cosmique plutôt que de se régaler d'étoiles.
Dans nos derniers travaux, nous avons utilisé les données du télescope ATLAS de la NASA à Hawaï. Il scanne le ciel entier chaque nuit (si le temps le permet), surveillant les astéroïdes s'approchant de la Terre depuis l'obscurité extérieure.
Ces analyses du ciel entier fournissent également un enregistrement nocturne de la lueur des trous noirs affamés au plus profond de l'arrière-plan. Notre équipe a réalisé un film sur cinq ans de chacun de ces trous noirs, montrant les changements quotidiens de luminosité provoqués par le maelström lumineux bouillonnant et bouillant du disque d'accrétion.
Le scintillement de ces trous noirs peut nous renseigner sur les disques d'accrétion.
En 1998, les astrophysiciens Steven Balbus et John Hawley ont proposé une théorie des « instabilités magnéto-rotationnelles » qui décrit comment les champs magnétiques peuvent provoquer des turbulences dans les disques. Si c’est la bonne idée, alors les disques devraient grésiller de manière régulière. Ils scintilleraient selon des motifs aléatoires qui se dérouleraient au fur et à mesure que les disques orbiteraient. Les disques plus grands orbitent plus lentement avec un scintillement lent, tandis que les orbites plus serrées et plus rapides des disques plus petits scintillent plus rapidement.
Mais les disques du monde réel prouveraient-ils cela simplement, sans autres complexités ? (Que « simple » soit le mot approprié pour désigner les turbulences dans un environnement ultra-dense et incontrôlable, noyé dans des champs gravitationnels et magnétiques intenses où l'espace lui-même est courbé jusqu'au point de rupture, est peut-être une question distincte.)
À l’aide de méthodes statistiques, nous avons mesuré l’intensité du scintillement de la lumière émise par nos 5 000 disques au fil du temps. Le motif de scintillement dans chacun semblait quelque peu différent.
Mais lorsque nous les avons triés par taille, luminosité et couleur, nous avons commencé à voir des motifs intrigants. Nous avons pu déterminer la vitesse orbitale de chaque disque — et une fois que vous avez réglé votre horloge pour qu'elle fonctionne à la vitesse du disque, tous les modèles de scintillement ont commencé à se ressembler.
Ce comportement universel est en effet prédit par la théorie des « instabilités magnéto-rotationnelles ». C'était réconfortant. Cela signifie que ces maelströms ahurissants sont "simples" après tout.
Et cela ouvre de nouvelles possibilités. Nous pensons que les différences subtiles restantes entre les disques d'accrétion se produisent parce que nous les regardons sous des orientations différentes.
L’étape suivante consiste à examiner ces différences subtiles de plus près et à voir si elles contiennent des indices permettant de discerner l’orientation d’un trou noir. À terme, nos futures mesures des trous noirs pourraient être encore plus précises.
Christian Wolf est professeur agrégé d'astronomie et d'astrophysique à l'Université nationale australienne. Il reçoit un financement de l'Australian Research Council (ARC) et est membre de l'Astronomical Society of Australia (ASA).
Cet article est republié à partir de La conversation sous licence Creative Commons. Vous pouvez trouver le article original ici.
