Comment le fait que les trous noirs attirent très efficacement la matière environnante conduit à certains des phénomènes lumineux les plus spectaculaires de l’ensemble du cosmos

Un article d’Andreas Müller

La gravité entraîne une attraction universelle entre toutes les masses. Une conséquence possible de cela est l’accrétion, le terme générique des astrophysiciens désignant les processus dans lesquels un objet central massif capte (”accrète ») de la matière à partir de son voisinage direct. L’accrétion fait que l’objet central devient plus massif, et donc de mieux en mieux en ramassant la matière. Comme première étape vers la compréhension de l’accrétion, il est utile de jeter un coup d’œil à une question plus générale: Quels sont les résultats possibles lorsque la matière tombe vers un objet central?

Matière en chute

Si l’objet central est un corps solide, la matière peut tomber directement sur ce corps et s’arrêter brusquement. Ce serait un exemple de « barrière mécanique » – la surface de l’objet central empêche la matière de tomber plus loin, tout comme la surface solide de la terre nous empêche de tomber au centre de notre planète d’origine. Si le corps central est un trou noir, la matière peut tomber directement vers l’horizon du trou noir et dans le trou noir, pour ne plus jamais être revue. Dans les deux cas, la matière prend un plongeon direct.

Mais ce n’est en aucun cas la seule possibilité – en fait, c’est l’exception plutôt que la règle. Habituellement, la matière sera en mouvement avant même qu’elle ne soit suffisamment proche pour que l’objet central exerce une traction importante. À moins que ce mouvement ne soit dirigé exactement vers l’objet central – un cas particulier, et donc très rare – il y aura une composante de mouvement latéral, et si cette composante est suffisamment grande, la matière qui tombe ne frappera pas l’objet central, mais le dépassera.

Un résultat possible d’un tel quasi-échec est une orbite sur laquelle la masse d’entrée passe près des objets centraux avant de partir dans l’espace, pour ne jamais revenir (orbite non liée). Une autre est une orbite fermée (liée) sur laquelle la masse d’entrée continue de se déplacer autour de l’objet central; des exemples bien connus sont les planètes de notre système solaire sur leurs orbites autour du soleil.

Un autre exemple d’orbite quasi-ratée, celle–ci un peu plus compliquée, peut être vu dans l’image ci-dessous – un système stellaire binaire composé d’une étoile géante, représentée à gauche, et d’une étoile compagne compacte, à droite:

L’étoile géante est si grande que pour une partie de la matière dans son enveloppe extérieure, l’attraction gravitationnelle du compagnon compact est supérieure à celle de l’étoile géante elle-même. La matière est tirée vers le compagnon. Cependant, cette matière ne plonge pas directement sur l’étoile compagne car elle a un mouvement latéral suffisant pour constituer un disque d’accrétion. Ce disque en matériau stellaire orbite autour de l’étoile compagnon.

Le moment angulaire et le devenir de la matière dans les disques d’accrétion

Le fait que la matière avec un mouvement latéral suffisant manque l’objet central est dû à ce que les physiciens appellent la conservation du moment angulaire. Lorsqu’un objet orbite autour d’une masse centrale sous l’influence de la gravité, les lois de la mécanique sont claires: pour l’objet en orbite, le produit de sa masse, de sa distance au corps central et de la vitesse à laquelle il se déplace autour de ce corps – c’est, par définition, le moment angulaire de l’objet – doit rester constant dans le temps. Une planète en orbite ne peut pas soudainement changer de trajectoire et se diriger directement vers le soleil. Pour cela, son moment angulaire devrait soudainement sauter à zéro, au mépris des lois de la physique. (En savoir plus sur la conservation du moment angulaire peut être trouvé dans le sujet Spotlight Ce que les patineurs artistiques, les planètes et les étoiles à neutrons ont en commun.)

Dans le cas d’une planète, la conservation du moment angulaire conduit à une orbite régulière. Dans le cas de l’étoile binaire illustrée ci-dessus, elle a également un rôle à jouer: l’étoile géante de l’illustration tourne lentement, tout comme la matière contenue dans ses régions extérieures. En conséquence, cette matière a un moment angulaire non nul. Ce moment cinétique est conservé lorsque les particules de matière tombent vers le compagnon compact pour former le disque d’accrétion.

La situation dans le disque d’accrétion est nettement plus compliquée que pour les planètes en orbite. Les lois de la mécanique décrètent que la somme totale du moment angulaire de toutes les particules de matière ne peut pas changer avec le temps, mais il est parfaitement permis pour une particule de transférer une partie de son moment angulaire à d’autres particules. C’est ce qu’on appelle le transport du moment angulaire. Par exemple, ce transport devient important dès que des turbulences se produisent. La turbulence est un phénomène naturel dans les plasmas dynamiques et les gaz (ainsi que dans les fluides). Le mécanisme le plus efficace pour redistribuer le moment angulaire implique la matière plasmatique, dans laquelle les différentes particules s’influencent mutuellement via de faibles champs magnétiques. Le résultat net est une redistribution du moment angulaire de l’intérieur vers les régions externes du disque. Au cours de ce processus, la matière dans les régions les plus intimes parvient à perdre suffisamment de moment angulaire pour pouvoir tomber sur (ou dans) l’objet central lui-même. De cette façon, de plus en plus de matière s’accroit sur l’objet central. Sans transfert de moment angulaire, cette croissance par accrétion serait impossible.

Disques lumineux

Les collecteurs de matière les plus efficaces sont les objets les plus compacts du cosmos : les trous noirs. Ce sont de parfaits « pièges spatio–temporels” – rien qui tombe dans un trou noir ne peut jamais s’échapper, pas même la lumière. Par conséquent, les trous noirs sont en effet aussi noirs que leur nom l’indique, et très difficiles à détecter pour les astronomes. Cependant, la situation change radicalement une fois qu’un trou noir est « alimenté” avec de la matière de son voisinage – alors, les trous noirs peuvent transformer leur environnement en régions les plus brillantes et les plus spectaculaires du cosmos!

Il existe plusieurs façons pour les trous noirs d’éclairer leur voisinage cosmique. Certaines nécessitent des circonstances très particulières, mais l’une est universelle partout où la matière tombe dans un trou noir: la production de rayonnement thermique. La matière tombant vers un objet central sous l’influence de la gravité s’accélère à des vitesses de plus en plus élevées, gagnant de plus en plus d’énergie cinétique. Mais une fois qu’une particule de matière en train de s’enfoncer plonge dans un disque d’accrétion – et peut–être plus tôt – le mouvement de la particule est perturbé. En raison des collisions fréquentes entre toutes les différentes particules, il n’y a pas d’orbites simples bien définies. Au lieu de cela, l’ensemble des particules est en mouvement chaotique. Un tel mouvement chaotique avec des tourbillons et des instabilités – tout comme dans un fluide turbulent – est monnaie courante dans les disques d’accrétion. Par définition, le mouvement microscopique désordonné des particules est un mouvement thermique, et en tant que tel directement lié à la température. Au fur et à mesure que le mouvement des particules entrant en collision devient chaotique, la matière dans le disque d’accrétion est chauffée à des températures très élevées. La température maximale dans un disque d’accrétion autour d’un trou noir supermassif cent fois la masse de notre soleil sera d’environ un million de Kelvins et pour le disque autour d’un trou noir stellaire, elle peut être jusqu’à un facteur cent plus élevé. En comparaison, la température au cœur de notre soleil s’élève à environ 15 millions de kelvins.

En physique, partout où il y a de la chaleur, il y a un rayonnement électromagnétique thermique. Chaque corps émet un rayonnement thermique – seul un corps avec une température de zéro absolu ne le ferait pas, mais de tels corps ne peuvent pas exister (plus d’informations sur le rayonnement thermique peuvent être trouvées dans le sujet de la chaleur qui rencontre l’œil). À mesure que la température d’un corps augmente, l’énergie émise sous forme de rayonnement augmente également. La température d’un disque d’accrétion autour d’un trou noir est suffisamment élevée pour que la matière du disque émette de grandes quantités de rayons X hautement énergétiques.

La matière tombant vers un objet central, formant un disque d’accrétion, représente un moyen éminemment efficace de produire un rayonnement à partir d’autres formes d’énergie (en l’occurrence l’énergie gravitationnelle). Elle est environ 30 fois plus efficace que la fusion nucléaire, le mécanisme de conversion d’énergie responsable de la luminosité de notre soleil et des autres étoiles.

Pour l’instant, aucun astronome n’a réussi à prendre des images détaillées du flux d’accrétion sur un trou noir central – ce qui nécessiterait une résolution supérieure à celle que les télescopes actuels peuvent fournir. Au lieu de cela, les astrophysiciens ont des moyens indirects de tester leurs hypothèses sur ce qui se passe près d’un tel trou noir: à partir de simulations informatiques, ils peuvent prédire les spectres des disques d’accrétion – la façon dont l’énergie du rayonnement est répartie entre les différentes fréquences. Ces spectres portent une empreinte claire des conditions locales – un fort décalage vers le rouge gravitationnel indique la compacité de l’objet central; des décalages Doppler systématiques enregistrent la façon dont la matière se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière dans le disque environnant. Chaque fois que les observations montrent que la masse concentrée dans la région la plus interne est suffisamment élevée – sans objet lumineux visible à cet endroit particulier – il y a une forte probabilité que l’objet central soit un trou noir.

À partir de cette liste de propriétés caractéristiques, les astronomes ont une idée claire de ce qu’il faut rechercher, et il s’avère qu’il existe en effet des objets dans le ciel nocturne avec exactement les propriétés requises. En fait, pour un certain nombre d’objets candidats, la correspondance entre prédiction et observation est assez impressionnante. Ainsi, il semble que notre univers contienne des trous noirs qui accèdent à la matière. (Plus d’informations sur les objets astronomiques en question peuvent être trouvées dans le sujet Spotlight Trous noirs actifs: balises cosmiques ultra-chaudes.)

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