En 1971, les astronomes anglais Donald Lynden-Bell et Martin Rees ont émis l'hypothèse qu'un trou noir supermassif (SMBH) réside au centre de notre galaxie de la Voie lactée. Cela était basé sur leur travail avec les radio-galaxies, qui a montré que les quantités massives d'énergie rayonnées par ces objets étaient dues à l'accumulation de gaz et de matière sur un trou noir en leur centre.
En 1974, la première preuve de cette SMBH a été trouvée lorsque les astronomes ont détecté une source radio massive provenant du centre de notre galaxie. Cette région, qu'ils ont baptisée Sagittaire A *, est plus de 10 millions de fois plus massive que notre propre Soleil. Depuis sa découverte, les astronomes ont trouvé des preuves qu'il existe des trous noirs supermassifs au centre de la plupart des galaxies spirales et elliptiques de l'Univers observable.
La description:
Les trous noirs supermassifs (SMBH) se distinguent des trous noirs de masse inférieure de plusieurs façons. Pour commencer, puisque les SMBH ont une masse beaucoup plus élevée que les petits trous noirs, ils ont également une densité moyenne plus faible. Cela est dû au fait qu'avec tous les objets sphériques, le volume est directement proportionnel au cube du rayon, tandis que la densité minimale d'un trou noir est inversement proportionnelle au carré de la masse.
De plus, les forces de marée au voisinage de l'horizon des événements sont significativement plus faibles pour les trous noirs massifs. Comme pour la densité, la force de marée sur un corps à l'horizon des événements est inversement proportionnelle au carré de la masse. En tant que tel, un objet ne subirait pas de force de marée significative avant d'être très profondément dans le trou noir.
Formation:
La façon dont les SMBH sont constituées reste le sujet de nombreux débats scientifiques. Les astrophysiciens croient en grande partie qu’ils sont le résultat de fusions de trous noirs et de l’accrétion de matière. Mais d'où proviennent les «graines» (c'est-à-dire les progéniteurs) de ces trous noirs, c'est là que le désaccord se produit. Actuellement, l'hypothèse la plus évidente est qu'ils sont les restes de plusieurs étoiles massives qui ont explosé, qui ont été formées par l'accrétion de matière dans le centre galactique.
Une autre théorie est qu'avant la formation des premières étoiles dans notre galaxie, un gros nuage de gaz s'est effondré en une «étoile qausi» qui est devenue instable aux perturbations radiales. Il s'est ensuite transformé en un trou noir d'environ 20 masses solaires sans avoir besoin d'une explosion de supernova. Au fil du temps, il a rapidement accumulé de la masse pour devenir un trou noir intermédiaire, puis supermassif.
Dans encore un autre modèle, un amas stellaire dense a connu un effondrement du cœur en raison de la dispersion de la vitesse dans son cœur, qui s'est produite à des vitesses relativistes en raison de la capacité thermique négative. Enfin, il y a la théorie selon laquelle les trous noirs primordiaux peuvent avoir été produits directement par une pression externe immédiatement après le Big Bang. Ces théories et d'autres restent théoriques pour le moment.
Sagittaire A *:
De multiples sources de preuves pointent vers l'existence d'une SMBH au centre de notre galaxie. Bien qu'aucune observation directe n'ait été faite du Sagittaire A *, sa présence a été déduite de son influence sur les objets environnants. La plus notable d'entre elles est S2, une étoile qui fait circuler une orbite elliptique autour de la source radio Sagittaire A *.
S2 a une période orbitale de 15,2 ans et atteint une distance minimale de 18 milliards de kilomètres (11,18 milliards de mi, 120 UA) du centre de l'objet central. Seul un objet supermassif pourrait expliquer cela, car aucune autre cause ne peut être discernée. Et à partir des paramètres orbitaux de S2, les astronomes ont pu produire des estimations sur la taille et la masse de l'objet.
Par exemple, les mouvements de S2 ont conduit les astronomes à calculer que l'objet au centre de son orbite devait avoir au moins 4,1 millions de masses solaires (8,2 × 10³³ tonnes métriques; 9,04 × 10³³ tonnes US). De plus, le rayon de cet objet devrait être inférieur à 120 UA, sinon S2 entrerait en collision avec lui.
Cependant, les meilleures preuves à ce jour ont été fournies en 2008 par le Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics et l'UCLAs Galactic Center Group. En utilisant des données obtenues sur une période de 16 ans par le Very Large Telescope et le Keck Telescope de l'ESO, ils ont pu non seulement estimer avec précision la distance au centre de notre galaxie (27 000 années-lumière de la Terre), mais aussi suivre les orbites des étoiles là avec une immense précision.
Comme Reinhard Genzel, le chef d'équipe du Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics a déclaré:
“L'aspect le plus spectaculaire de notre étude à long terme est sans aucun doute qu'elle a fourni ce qui est maintenant considéré comme la meilleure preuve empirique que les trous noirs supermassifs existent réellement. Les orbites stellaires du Centre Galactique montrent que la concentration de masse centrale de quatre millions de masses solaires doit être un trou noir, hors de tout doute raisonnable. »
Une autre indication de la présence de Sagittaire A * est venue le 5 janvier 2015, lorsque la NASA a signalé une éruption de rayons X record provenant du centre de notre galaxie. Sur la base des lectures de l'Observatoire de rayons X de Chandra, ils ont signalé des émissions 400 fois plus lumineuses que d'habitude. On pensait que ceux-ci étaient le résultat d'un astéroïde tombant dans le trou noir, ou par l'intrication de lignes de champ magnétique dans le gaz qui y circule.
Autres galaxies:
Les astronomes ont également trouvé des preuves de SMBH au centre d'autres galaxies au sein du groupe local et au-delà. Il s'agit notamment de la galaxie d'Andromède (M31) et de la galaxie elliptique M32, ainsi que de la galaxie spirale éloignée NGC 4395. Ceci est basé sur le fait que les étoiles et les nuages de gaz près du centre de ces galaxies montrent une augmentation observable de la vitesse.
Une autre indication est les noyaux galactiques actifs (AGN), où des bandes massives de radio, micro-ondes, infrarouges, optiques, ultraviolets (UV), rayons X et gamma sont détectées périodiquement provenant des régions de la matière froide (gaz et poussière ) au centre de grandes galaxies. Bien que le rayonnement ne provienne pas des trous noirs eux-mêmes, on pense que l'influence d'un tel objet massif sur la matière environnante en est la cause.
En bref, le gaz et la poussière forment des disques d'accrétion au centre des galaxies qui orbitent autour des trous noirs supermassifs, les alimentant progressivement en matière. L’incroyable force de gravité dans cette région comprime le matériau du disque jusqu’à ce qu’il atteigne des millions de degrés kelvin, générant un rayonnement lumineux et une énergie électromagnétique. Une couronne de matière chaude se forme également au-dessus du disque d'accrétion et peut diffuser des photons jusqu'aux énergies des rayons X.
L'interaction entre le champ magnétique rotatif SMBH et le disque d'accrétion crée également des jets magnétiques puissants qui tirent des matériaux au-dessus et en dessous du trou noir à des vitesses relativistes (c'est-à-dire à une fraction significative de la vitesse de la lumière). Ces jets peuvent s'étendre sur des centaines de milliers d'années-lumière et constituent une deuxième source potentielle de rayonnement observé.
Lorsque la galaxie d'Andromède fusionnera avec la nôtre dans quelques milliards d'années, le trou noir supermassif qui est en son centre fusionnera avec le nôtre, produisant un trou beaucoup plus massif et puissant. Cette interaction est susceptible de chasser plusieurs étoiles de notre galaxie combinée (produisant des étoiles voyous), et également de faire en sorte que notre noyau galactique (qui est actuellement inactif) redevienne actif.
L'étude des trous noirs en est encore à ses balbutiements. Et ce que nous avons appris au cours des dernières décennies seulement a été à la fois passionnant et impressionnant. Qu'ils soient de masse inférieure ou supermassifs, les trous noirs font partie intégrante de notre Univers et jouent un rôle actif dans son évolution.
Qui sait ce que nous trouverons en regardant plus profondément dans l'Univers? Peut-être qu'un jour, nous, la technologie et la pure audace, existerons afin que nous puissions tenter de culminer sous le voile d'un horizon d'événements. Pouvez-vous imaginer que cela se produise?
Nous avons écrit de nombreux articles intéressants sur les trous noirs ici à Space Magazine. Voici au-delà de tout doute raisonnable: un trou noir supermassif vit au centre de notre galaxie, l'écho flare aux rayons X révèle un tore noir supermassif, comment pesez-vous un trou noir supermassif? Prenez sa température, et que se passe-t-il lorsque des trous noirs supermassifs entrent en collision?
Astronomie Cast a également quelques épisodes pertinents sur le sujet. Voici l'épisode 18: Black Holes, petits et grands, et l'épisode 98: Quasars.
Plus à explorer: les épisodes Quasars d'Astronomy Cast et Black Holes Big and Small.
Sources:
- Wikipédia - Trou noir supermassif
- NASA - Trous noirs supermassifs
- Université de Swinburne: Cosmos - Trou noir supermassif
