vents d'accrétion de trous noirs

Un trou noir apparié à une étoile fonctionne comme une pompe : il aspire le gaz de sa compagne, le fait tourbillonner en un disque lumineux et, de temps à autre, éjecte une partie de la matière sous forme de deux jets étroits. En 2021, le système 4U 1543-475 a offert un tel spectacle.

Un tourbillon avale l'eau, mais en projette la majeure partie autour de lui. C'est à peu près ce que fait un trou noir lorsqu'il reçoit trop de matière.

Soixante-douze disques d'accrétion — des cocons tourbillonnants de gaz et de poussière cosmique — ont été scrutés par l'instrument MIRI à bord du James Webb. La plupart d'entre eux libèrent des flux dans l'espace : des structures coniques denses et de fines gerbes à grande vitesse.

Le cosmos est plein de cris que nous n'entendons pas. Chaque fois qu'un trou noir déchire une étoile, une éruption éblouissante naît, et souvent – un jet relativiste étroit qui fuse sur des milliers d'années-lumière.

Pendant des décennies, les astrophysiciens ont construit un tableau cohérent : la galaxie, telle un manège géant, tourne en un rythme unique, et le trou noir supermassif en son centre hérite de cette danse.

Au fin fond de l'espace, au centre d'une galaxie. Un trou noir supermassif est entouré d'un disque incandescent de gaz et de poussière. Et voilà qu'à travers ce voile de feu, avec une périodicité de quelques heures, une étoile s'élance — telle une flèche décochée par l'arc de la gravité.

Imaginez une rivière sur un rapide : le courant accélère au point qu'aucune vague ne peut plus remonter le flot. De même, le gaz près d'un trou noir : ayant atteint la vitesse du son, il s'enferme lui-même — naît un trou noir acoustique, double de l'abîme gravitationnel. Ici, l'horizon des événements est tissé d'un flux plus rapide que son propre son.

Un trou noir, telle une fileuse, enroule autour de lui un nuage de particules légères — les axions. Ces particules sont les principaux candidats pour la matière noire. Le nuage obéit aux lois de la mécanique quantique, rappelant un atome géant : il y a des niveaux, des transitions entre eux.

Une casserole de bouillie qui bout à feu vif : les bulles remontent les grains du fond à la surface. Un mécanisme similaire opère sur une étoile à neutrons. Accumulant hydrogène et hélium de l'étoile voisine, elle déclenche de temps à autre une explosion nucléaire puissante — un sursaut X.

Au centre d'une galaxie, un énorme trou noir est enveloppé d'un nuage invisible — un essaim de particules ultra-légères qu'il a lui-même engendré. Dans ce nuage plonge un autre trou noir, de la taille d'une étoile, et commence une longue danse en spirale.

Au centre de presque chaque grande galaxie vit un trou noir supermassif — un géant silencieux autour duquel tourbillonnent étoiles, gaz et d'autres trous noirs plus petits. De temps en temps, l'un de ces objets quitte son orbite et commence à tomber vers le monstre central en une spirale de plus en plus serrée.

Une épaisse soupe refroidit lentement dans une casserole. Soudain, le feu en dessous s'embrase, et la soupe se met à bouillonner, se décomposant en une multitude de petits tourbillons.

Les ondes gravitationnelles — ce frémissement du cosmos provoqué par de lointains cataclysmes — sont si faibles que les capter revient à entendre un murmure dans un ouragan. Mais un trou noir peut les amplifier considérablement.

Imaginez un danseur à trois visages sur la crête d'une onde lumineuse. Un visage est celui d'un attrapeur, qui absorbe les photons incidents. Le deuxième est un miroir parfait, qui renvoie la lumière. Le troisième est un verre dépoli, qui diffuse les rayons dans toutes les directions. Tant que la vitesse est faible, la danse est harmonieuse.

Un trou noir déchire une étoile, et nous voyons un éclair éblouissant. Puis, deux ans plus tard, quand tout le monde a oublié, les radiotélescopes captent soudain un nouveau signal — comme un écho du passé.

L'eau se précipite dans un gouffre, mais une partie remonte en bouillonnant et en écumant au bord. C'est à peu près ce que fait le gaz qui s'écoule vers un trou noir supermassif lorsque son flux devient trop dense. Dans cette nouvelle étude, les scientifiques ont suivi ce phénomène à l'aide d'une simulation informatique.

Un aspirateur puissant aspire non seulement la poussière, mais aussi son propre sac à poussière. C'est à peu près ce que fait un trou noir au centre d'un « point rouge » — une galaxie lointaine où la lueur ne provient pas du trou lui-même, mais de son épaisse couche de gaz. Cette couche est si épaisse qu'elle ressemble à une étoile froide gonflée.

Un minuscule trou noir de la taille d'un noyau atomique mais avec la masse d'une montagne est né dans les premiers instants après le Big Bang, lorsque des amas aléatoires d'énergie se sont effondrés en de tels objets.

Les ombres des objets supermassifs au centre des galaxies — M87 et la Voie lactée — sont devenues des icônes de l'astrophysique moderne. Mais que se passerait-il si ces ombres n'étaient pas la trace d'une absorption, mais d'un passage ?

L'eau dans un entonnoir ne descend pas entièrement : une partie jaillit vers le haut en fines giclées. Le gaz près d'un trou noir se comporte de la même manière. Il tombe, s'échauffe, entre en collision avec lui-même — et une partie est éjectée dans l'espace en deux jets étroits qui partent dans des directions opposées.

La surface du Soleil bout comme l'eau dans une casserole. Le gaz chaud monte, refroidit et redescend — c'est la convection. Autour, les champs magnétiques bouillonnent, se déchirent et se reconnectent.

Les trous noirs sont des éviers cosmiques, des entonnoirs gravitationnels qui aspirent la matière environnante. Ce processus, appelé accrétion, ne se déroule pas toujours sans heurts : une partie du gaz qui tombe peut être éjectée sous forme de jets relativistes étroits — les jets.

Dans le système binaire 4U 1624-49, une étoile à neutrons attire le gaz d'une étoile ordinaire voisine. Ce gaz s'enroule en un disque lumineux, comme l'eau dans un entonnoir. Et du bord de cet entonnoir se détache un flux brûlant : hydrogène et d'autres éléments s'éloignent à des vitesses allant jusqu'à 320 kilomètres par seconde.

Autour des jeunes étoiles, de vastes nuages plats de gaz et de poussière tourbillonnent – c'est de là que naissent les planètes. Pour que la matière d'un tel disque s'agglomère en grumeaux, elle doit être constamment mélangée. Mais qu'est-ce qui agite le gaz de manière chaotique alors qu'il est calme par nature ?

Au cœur de presque toutes les galaxies se cachent des trous noirs — des géants invisibles. Quand deux galaxies entrent en collision, leurs trous noirs se retrouvent en couple, condamnés à danser l'un autour de l'autre.

Le radiotélescope capte un signal durant quelques millisecondes, et en cet instant, une énergie comparable à celle que le Soleil émet en plusieurs jours est libérée. C'est un sursaut radio rapide, une impulsion radio milliseconde provenant d'une galaxie lointaine. Depuis sa découverte en 2007, les astrophysiciens débattent de son origine.