mercredi 5 mars 2014

Mesure de la Vitesse de Rotation d'un Trou Noir très Distant

Il y a tout juste un an, je vous expliquais comment les astrophysiciens arrivaient à mesurer la vitesse de rotation de trous noirs en analysant le spectre en énergie des rayons X qui sont produits dans le disque d'accrétion du trou noir. 



Un an plus tard, cette belle méthode a à nouveau porté ses fruits sur le cas d'un trou noir supermassif produisant un quasar. Ce quasar nommé RX J1131 est situé à 6 milliards d'années-lumière et c'est simplement le trou noir (supermassif) le plus lointain sur lequel a pu être appliqué cette méthode.
RX J1131 formant une suite de quatre images en cercle
autour de la galaxie lentille, image composite rayons X et optique
 (NASA/CXC/Univ of Michigan/R.C.Reis et al; NASA/STScI)
Rappelons que la méthode en question repose sur une analyse de la répartition de l'énergie des rayons X en provenance du voisinage du trou noir (le disque de matière surchauffée qui lui tourne autour, appelé le disque d'accrétion). Cette analyse du spectre des rayons X permet aux astrophysiciens de déterminer la distance qui sépare la frontière interne du disque d'accrétion de l'horizon des événements du trou noir, la frontière du trou, à partir d'où les photons ne peuvent plus revenir. Cette analyse est rendue possible grâce aux distorsions produites dans le spectre par le champ gravitationnel.

De cette distance entre l'intérieur du disque d'accrétion et l'horizon du trou noir, on en déduit directement (en appliquant les équations de la relativité générale) la vitesse de rotation que doit avoir le trou noir. Plus le disque d'accrétion est proche de l'horizon, plus le trou noir tourne vite.

La particularité de l'observation de RX J1131, qui fait l'objet d'un article cette semaine dans la revue Nature, c'est que le quasar (galaxie rendue active par l'émission de son trou noir supermassif) est très loin et c'est grâce au phénomène (relativiste) de lentille gravitationnelle qu'il a pu être assez aisément observé avec Chandra X-Ray Observatory et XMM Newton. Une grosse galaxie se trouve en fait entre le quasar et nous, et la lumière du quasar est défléchie par la galaxie intercalée pour se retrouver former plusieurs images (quatre dans notre cas) amplifiées de RX J1131 avec pour chacune un spectre différent.

Ce que trouvent Rubens Reis de l'Université du Michigan et ses collègues, qui signent cette étude, c'est un disque d'accrétion qui s'approche à une distance égale à trois fois le rayon de l'horizon du trou noir, ce qui donne, pour que le disque survive à une telle distance, une vitesse de rotation supérieure à 50% de la vitesse de la lumière!...

Connaître la vitesse de rotation des trous noirs est importante pour comprendre comment ces trous noirs supermassifs qui se trouvent au centre des galaxies se forment. Soit ils acquièrent de la masse provenant d'un peu partout autour d'eux, soit ils sont issus de fusions de trous noirs plus petits. Dans le premier cas leur vitesse de rotation devrait être assez faible, et dans le second plutôt grande. L'observation des rayons X de RX J1131 tend à montrer que ce trou noir est dans le second cas.
Les plus lointains trous noirs dont la vitesse de rotation a pu être estimée précédemment se situaient respectivement à 2,5 et 4,7 milliards d'années-lumière. Il est également fondamental de connaître comment évoluent les vitesses de rotation des trous noirs supermassifs en fonction du temps cosmique, pour notamment savoir si ils grossissent au même rythme que celui de leur galaxie hôte, ce qui s'apparente au problème bien connu de l’œuf et de la poule.


Source :
Reflection from the strong gravity regime in a lensed quasar at redshift z = 0.658
R. C. Reis et al.
Nature Online (05 March 2014)

2 commentaires :

Adrien Dewez a dit…

Bonjour,

quand vous dites que la vitesse de rotation est supérieure à 50% de la vitesse de la lumière, vous signifiez qu'elle est supérieure à la moitié de la vitesse de la lumière ou qu'elle est supérieure de 50% à la vitesse de la lumière? Le second cas n'est-il pas exclut par la relativité générale?

Dr Eric SIMON a dit…

Il s'agit bien de la moitié de la vitesse de la lumière. Tout va bien pour la relativité, mais c'est tout de même une vitesse énorme!