Un étrange trou noir émet des jets relativistes car il « absorbe » l’espace-temps

Dans une constellation très lointaine, située à environ 7800 années-lumière de la Terre, se cache un trou noir pour le moins particulier. Il s’appelle V404 Cygni et en 2015, les télescopes du monde entier s’émerveillaient à le voir sortir de son état de dormance pour dévorer une étoile.

Cet événement particulier constitue une véritable mine d’informations que les astronomes sont encore en train d’analyser à l’heure actuelle. Et ils viennent de découvrir un élément étonnant : des jets relativistes vacillant si rapidement, que leurs changements de direction peuvent être aperçus en l’espace de quelques minutes.

À savoir qu’un jet astrophysique (jet) est un phénomène observé lorsque des nuages de matière se forment le long de l’axe de rotation d’un objet compact. Ici, le trou noir.

À l’heure actuelle, ces jets font toujours l’objet de nombreuses recherches, car les scientifiques ne savent pas encore exactement comment ils se forment et comment ils fonctionnent, bien que deux hypothèses (les plus probables) quant à leur origine sont les interactions dynamiques à l’intérieur d’un disque d’accrétion, ou un procédé en lien avec un objet central très dense (comme par exemple un trou noir ou une étoile à neutrons). C’est lorsque la matière est éjectée à une vitesse proche de la vitesse de la lumière que ces jets sont appelés « jets relativistes », à cause des effets importants de la relativité restreinte.

Donc, ces jets relativistes qui vacillent si rapidement soufflent des nuages de plasma à haute vitesse. « Il s’agit de l’un des systèmes de trous noirs les plus extraordinaires que j’ai jamais observé », a déclaré James Miller-Jones, du Centre international de recherche en radioastronomie (ICRAR) de l’Université Curtin, en Australie.

Le trou noir V404 Cygni est un système microquasar binaire composé d’un trou noir (faisant environ neuf fois la masse du Soleil) et d’une étoile compagnon (une jeune géante rouge, légèrement plus petite que le Soleil).

Le trou noir dévore gentiment la géante rouge : le matériau arraché à l’étoile tourne autour du trou noir, sous la forme d’un disque d’accrétion. À noter que les régions les plus proches du disque sont incroyablement denses, chaudes et extrêmement rayonnantes. De plus, tandis que le trou noir se nourrit, il éjecte de puissants jets de plasma à partir de ses pôles (vraisemblablement).

Comme les scientifiques ne connaissent pas encore le mécanisme exact de ces jets, ils pensent que le bord le plus interne du disque d’accrétion est canalisé le long des lignes de champ magnétique du trou noir, qui agissent comme un synchrotron pour accélérer les particules avant de les éjecter à des vitesses extrêmes.

Mais ces jets vacillants du trou noir V404 Cygni sont envoyés dans toutes les directions, à différents moments, sur une échelle de temps qui change très rapidement et ce, à 60% de la vitesse de la lumière, ce qui fait d’eux une classe de jets à part.

« Nous pensons que le disque de matière et le trou noir sont mal alignés. Cela semble causer une oscillation de la partie interne du disque, comme une toupie et des jets de feu dans différentes directions, à mesure que l’orientation change », a déclaré Miller-Jones. « C’est un peu comme une toupie qui commence à vaciller à mesure qu’elle ralentit », ont ajouté les chercheurs. Ce changement d’axe de rotation du corps en rotation s’appelle la précession. Dans ce cas particulier, nous avons une explication pratique nous venant tout droit d’Albert Einstein.

En effet, dans sa théorie de la relativité générale, Einstein a prédit un effet appelé l’effet Lense-Thirring (aussi appelé précession Lense-Thirring ou frame-dragging en anglais). En bref, tandis que le trou noir tourne sur lui-même, le champ gravitationnel de ce dernier est si intense, qu’il happe également l’espace-temps.

Dans le cas du trou noir V404 Cygni, le disque d’accrétion mesure environ 10 millions de kilomètres et le désalignement de l’axe de rotation du trou noir avec le disque d’accrétion a faussé les quelques milliers de kilomètres intérieurs de ce disque. L’effet Lense-Thirring entraîne alors la partie déformée du disque ainsi que la rotation du trou noir, ce qui projette ensuite les jets dans toutes les directions. De plus, la partie interne du disque est gonflée et également en précession. « C’est le seul mécanisme auquel nous pouvons penser qui puisse expliquer la précession rapide observée dans le trou noir V404 Cygni », a déclaré Miller-Jones.

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Cet effet est si rapide que les télescopes généralement utilisés pour capturer ce genre de données étaient pratiquement inutiles. En effet, en général, ces appareils reposent sur de longues expositions, observant une région pendant plusieurs heures à la fois et se déplaçant dans le ciel vers leur cible. Mais dans ce cas précis, cette méthode produisait uniquement des images trop floues pour être utilisées.

De ce fait, l’équipe a donc décidé d’utiliser une méthode différente, en prenant 103 images séparées avec seulement 70 secondes d’exposition et en les assemblant pour créer un film : cela a permis aux chercheurs de voir les jets relativistes vacillant et tremblant dans l’espace.

« Nous avons été émerveillés par ce que nous avons vu dans ce système – c’était complètement inattendu. Cette étude nous a permis d’approfondir notre compréhension du fonctionnement des trous noirs et de la formation des galaxies », a déclaré le physicien Greg Sivakoff, de l’Université de l’Alberta (Canada).

VIDÉO : Animation du trou noir V404 Cygni

Source : Nature