La Nasa a mesuré la vitesse de rotation de plusieurs trous noirs supermassifs. Leur disque d'accrétion tourne particulièrement vite : l'un d'eux atteint presque la vitesse de la lumière. Comment expliquer cette rotation si rapide ?

La vitesse de rotation de 5 trous noirs supermassifs a été mesurée par la Nasa et elle est impressionnante. L’Agence spatiale américaine a annoncé le 3 juillet 2019 que l’un de ces trous noirs tournait presque à la « vitesse maximale possible », c’est-à-dire la vitesse de la lumière (300 000 kilomètres par seconde). Les 4 autres trous noirs tournent « en moyenne à environ la moitié de ce taux maximal » (150 000 kilomètres par seconde).

Ces résultats ont été publiés dans la revue The Astrophysical Journal. Les astrophysiciens qui ont rédigé cet article tentent d’expliquer pourquoi ces trous noirs supermassifs tournent si rapidement. Leur incroyable vitesse serait liée au sens de rotation et à l’orientation de ce qu’on appelle le disque d’accrétion. Ces disques sont formés par la matière en orbite autour des trous noirs. Les scientifiques pensent que pendant des milliards d’années, ces trous noirs sont devenus de plus en plus grands en accumulant la matière dans leur disque.

Cette matière tournerait dans un sens et une orientation similaires à ceux du trou noir. La Nasa compare cela à un manège qui serait poussé dans une même direction : il ne cesserait de prendre de la vitesse.

Le disque d’accrétion et les jets du trou noir sont représentés en bleu. // Source : Wikimedia/CC/Nasa, ESA (photo recadrée)

Ce sont des quasars : de quoi s’agit-il ?

Un trou noir est une région de l’espace très compacte, dont le champ de gravitation est si intense qu’aucune matière, pas même la lumière, ne peut s’en échapper. On les qualifie de noirs car ce sont des objets invisibles. Cependant, les astronomes savent détecter les rayons X émis par la matière happée par le trou noir. Autrement dit, les scientifiques étudient les trous noirs en observant leur environnement, comme le disque d’accrétion. Ici, c’est la vitesse des disques d’accrétions de plusieurs trous noirs qui a été mesurée. Les astrophysiciens se sont intéressés à des quasars, c’est-à-dire des noyaux actifs de galaxies très éloignées, au centre desquelles se trouvent certainement des trous noirs supermassifs (dont la masse est d’au moins 1 million de masses solaires).

« Mesurer la rotation des trous noirs supermassifs au centre des galaxies actives est important car elle est est liée à l’histoire de la croissance des trous noirs, à leur interaction avec leur environnement, à l’émission de jets », écrivent les chercheurs dans leur étude. Autrement dit, savoir à quelle vitesse tourne le disque d’accrétion d’un trou noir (et son inclinaison) permet de mieux comprendre quels effets il peut avoir sur la galaxie qui l’entoure. À l’heure actuelle, les scientifiques pensent qu’il existe probablement un trou noir supermassif au centre de chaque grande galaxie, comme la Voie lactée (la question n’est pas résolue pour les galaxies naines).

Comment tourne un disque d’accrétion ?

Le disque d’accrétion d’un trou noir peut tourner de différentes manières. La rotation peut être rétrograde, c’est-à-dire que le disque d’accrétion tourne dans le sens contraire du trou noir. Il est aussi possible que le trou noir ne tourne pas. Enfin, la rotation peut être prograde : le disque tourne dans le même sens que le trou noir. Plus un trou noir tourne vite, plus le disque d’accrétion s’en rapproche, comme le montre le schéma suivant. C’est cette proximité qui aide les chercheurs à calculer la vitesse de rotation d’un trou noir.

Différents sens de rotation possibles des trous noirs. // Source : NASA/JPL-Caltech (photo recadrée)

Selon les scientifiques, le bord interne du disque de rotation est certainement aligné sur le plan équatorial des 5 trous noirs étudiés. Ces disques tournent probablement de façon prograde. Ces deux caractéristiques expliqueraient pourquoi ces trous noirs supermassifs tournent si vite. Les scientifiques ont mesuré ces vitesses en utilisant Chandra, un télescope spatial à rayons X de la Nasa. Il a permis d’étudier les différents quasars, situés entre 8,8 et 10,9 milliards d’années-lumière de la Terre. Leurs trous noirs ont une masse comprise entre 160 et 500 millions de masses solaires.

L’un d’eux tourne particulièrement vite

C’est ainsi qu’ils ont pu estimer que le disque d’accrétion le plus rapide de ces 5 trous noirs supermassif tournait presque à la vitesse de la lumière, au niveau de l’horizon des événements (la « frontière » du trou noir, au-délà de laquelle la matière ne peut plus s’échapper). Il tourne à plus de 70 % de cette vitesse, précise la Nasa : un calcul simple (70×300 000/100) permet donc d’estimer que sa vitesse est d’environ 210 000 kilomètres par seconde. En moyenne, les 4 autres trous noirs tournent quant à eux à une vitesse d’environ 150 000 kilomètres par seconde.

Vitesse, température, origine… Les caractéristiques des trous noirs continuent de fasciner les scientifiques, qui veulent comprendre le fonctionnement de ces objets insaisissables. La première image de cet objet céleste, dévoilée en avril dernier, a rappelé que nous avons encore beaucoup à apprendre de ces étonnantes sphères.

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