Un mystère concernant les trous noirs vient d’être résolu. Des observations aux rayons X ont permis de valider l’existence d’un vortex gravitationnel autour des trous noirs.
À l’instar des ondes gravitationnelles, le vortex gravitationnel qui existe autour d’un trou noir est prédit par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Si les premières ont été détectées par le LIGO, cela fait plus de 30 ans que les scientifiques tentent d’observer le second.
Dans les années 80, les pionniers de l’astronomie ont utilisé des télescopes à rayon X pour découvrir que les rayons en provenance des trous noirs scintillaient en suivant un schéma d’ensemble. Lorsque le scintillement commence, l’oscillation dure des mois, puis des semaines, puis des jours… et continue à s’accélérer pour finir par osciller 10 fois par seconde avant que ce phénomène s’arrête brusquement. Ce phénomène a été baptisé « Quasi Periodic Oscillation » (QPO).
Les chercheurs se sont rapidement intéressés à ce phénomène car il a très rapidement été déterminé qu’il provenait de quelque chose de très proche d’un trou noir. C’est comme cela qu’Adam Ingram, de l’Université d’Amsterdam, a rédigé sa thèse de doctorat sur les QPO en 2009. En poursuivant ses travaux, il a pu démontrer l’existence d’un vortex gravitationnel autour d’un trou noir.
Vue d’artiste montrant le disque d’accrétion entourant un trou noir. La « précession » indique que la matière entourant le trou noir change d’orientation autour du trou noir central.
C’est en recourant à l’observatoire spatial XMM-Newton de l’Agence spatiale européenne (ESA) et au Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) de la NASA qu’il a résolu un mystère qui a échappé aux astronomes pendant plus de 30 ans.
Il a cartographié le comportement de la matière autour des trous noirs
En observant les émissions de rayons X des trous noirs, il a découvert que les matériaux les entourant changeaient de comportement, changeaient d’orientation. Aspirés par le trou noir, les matériaux sont également chauffés, jusqu’à plusieurs millions de degrés, avant d’être happés.
Le fait qu’un objet en orbite autour d’un trou noir change d’orientation autour de l’objet central était prédit. Ce changement d’orbite et son retour à l’état initial sont connus sous le nom de cycle de précession. Mais que se passe-t-il près des trous noirs, quelle est la relation avec les QPO ? Les astronomes ont commencé à soupçonner l’existence d’un lien. « Nous avons passé beaucoup de temps à essayer de trouver une preuve irréfutable de ce comportement », explique Adam Ingram.
C’est en observant longuement le trou noir H 1743-322 que les chercheurs ont découvert que le flux interne libère des radiations de hautes énergies qui frappent dans le disque d’accrétion l’entourant, rendant les atomes de fer brillant comme un tube de lumière fluorescent. Le fer libère alors des rayons X d’une seule longueur d’onde. Le scintillement du fer et l’observation d’une « bosse de réflexion » ont prouvé le lien entre QPO et précession.
Sur le long terme, ils ont aussi découvert que la ligne de fer vacillait selon les prédictions de la relativité générale. « Nous mesurons directement le mouvement de la matière dans un champ gravitationnel fort près d’un trou noir », fait remarquer Adam Ingram. En clair, lui et son équipe ont démontré l’existence d’un vortex gravitationnel autour d’un trou noir.
Grâce à cette découverte, les chercheurs disposent désormais d’un outil qui va leur permettre de comprendre la physique de la matière qui coule dans le trou noir. Ils vont ainsi pouvoir tester les prédictions de la théorie de la relativité générale comme jamais auparavant… une fois que le mouvement de la matière dans le disque d’accrétion sera totalement compris.