Astronomie

Vitesse de rotation maximale d'un trou noir ?

Vitesse de rotation maximale d'un trou noir ?


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Je viens de regarder un podcast intitulé "Deep Astronomy" et la discussion portait sur un trou noir en rotation ultra-rapide découvert avec l'observatoire spatial NuSTAR. Ce trou noir a été modélisé avec une grande confiance pour tourner à environ 99% de la vitesse de rotation maximale. Ils se sont arrêtés avant de dire que la vitesse tangentielle de ce taux de spin est "c" (et comment une singularité peut-elle avoir une "vitesse tangentielle" ?) Ils ont dit que l'horizon des événements au spin maximum d'un trou noir stellaire est d'environ 1- 1/2km. et que si un trou noir tournait plus vite, le résultat serait un "trou noir nu" qui défierait les lois de la physique (GR).

De plus, tous les trous noirs ne devraient-ils pas tourner extrêmement vite (conservation du moment angulaire) ou un disque d'accrétion rétrograde le ralentirait-il. Quelqu'un pourrait-il clarifier toute cette "chose de rotation du trou noir" sans devenir trop compliqué ??


Puisque j'aime les mathématiques, jetons un peu de maths là-dedans. Je vais quand même essayer de rester le plus simple possible.

Kerr trous noirs

Un trou noir en rotation est connu sous le nom de trou noir de Kerr (du nom de Roy Kerr qui a trouvé la solution numérique aux équations GR pour les trous noirs en rotation). Dans le cas d'un trou noir en rotation, deux paramètres importants sont utilisés pour décrire le trou noir. Le premier est bien sûr la masse du trou noir $M$. La seconde est la rotation $a$. Vraiment $a$ n'est-ce pas le spin lui-même $-$ il est défini par $a=J/M$ (voir note de bas de page)$J$ est le moment cinétique du trou noir $-$ mais c'est un bon indicateur de rotation si souvent que vous verrez des scientifiques devenir paresseux et l'appeler simplement la rotation du trou noir. Les mathématiques vous diront que les trous noirs de Kerr ont la limitation qui

$$0 le a/M le 1$$

Horizon de l'événement du trou noir

Le paramètre important que nous voulons calculer est le rayon du trou noir. Si vous parcourez les calculs, vous constatez que ce rayon est donné par

$$r_e = M+(M^2-a^2)^{1/2}$$

Dans le cas où $a/M=0$ (Et ainsi $a=0$), cela se réduit à seulement $r_e=2M$, ou en unités régulières (au lieu d'unités géométrisées) $r_e=2GM/c^2$. Espérons que vous puissiez voir que cela se réduit simplement au rayon de Schwarzchild normal pour un trou noir non rotatif et donc l'équation ci-dessus est une généralisation pour tenir compte du spin. Regardons l'autre limite quand $a/M=1$ (Et ainsi $a=M$). Dans ce cas, vous trouvez que le rayon est $r_e=M$. Lorsque $a/M=1$, tu as un rotation maximale trou noir, et votre rayon est la moitié du rayon Schwarzchild normal d'un trou noir non tournant. Cette équation définit le rayon de l'horizon des événements, le point après lequel il n'y a pas de retour du trou noir.

Ergosphère

Il s'avère que lorsque vous définissez votre équation pour calculer le rayon du trou noir, il existe en fait plusieurs solutions ! La section ci-dessus montre une telle solution, mais il existe également une autre solution importante. Ce rayon, parfois appelé le limite statique est donnée par l'équation

$$r_{s} = M+gauche(M-a^2cos^2( heta)droit)^{1/2}$$

Notez que c'est presque exactement le même que ci-dessus, à l'exception de ce supplément $cos^2( heta)$. Cela définit un horizon différent, légèrement plus grand et quelque peu "en forme de citrouille" qui englobe l'horizon d'événement interne défini ci-dessus. La région entre cet horizon extérieur et l'horizon intérieur est connue sous le nom d'Ergosphère. Sans entrer dans les détails, je dirai simplement qu'un point important à propos de l'Ergosphère est que tout ce qui s'y trouve (c'est-à-dire $r_e<><>) doit tourner exactement avec le trou noir - il est physiquement impossible de rester immobile ici !

Réponses

Ils se sont arrêtés avant de dire que la vitesse tangentielle de cette vitesse de rotation est "c" (et comment une singularité peut-elle avoir une "vitesse tangentielle" ?)

Lorsque vous parlez de vitesse tangentielle, il y a plusieurs composants de ce trou noir dont vous/ils parlez peut-être. L'une de ces vitesses tangentielles est la vitesse tangentielle de l'horizon des événements (définie par $r_e$ dessus). Nous pouvons examiner le cas d'un trou noir en rotation maximale et dire que le moment angulaire, basé sur les équations ci-dessus, d'un tel trou noir est donné par

$$J_{max} = a_{max}Mc = M^2c$$

Notez que j'ai laissé tomber les unités géométrisées juste pour être complètement explicite. Cela a introduit un supplément $c$ à présent. Rappelez-vous que $a_{max}$ est atteint lorsque $a/M=1$.

Nous pouvons également définir le moment cinétique en utilisant l'équation standard de la physique 101, $J=rMv_perp$, où bien sûr $r$ est le rayon de votre objet, et $v_perp$ est la vitesse perpendiculaire, ou bien tangentielle, de votre objet en rotation. Rappelons d'en haut que pour un trou noir tournant au maximum, $r_e=M$ donc on a aussi ça

$$J_{max} = r_eMv_{perp} = M^2v_perp$$

Vous pouvez voir que ces deux équations pour $J_{max}$ égales seulement si la vitesse tangentielle $v_perp$ est égal à la vitesse de la lumière $c$. Alors oui, vous avez raison de supposer qu'aux rotations les plus rapides possibles, l'horizon des événements du trou noir tourne à la vitesse de la lumière !

J'ai dit cependant qu'il y a plusieurs composants dont vous pourriez parler lorsque vous discutez des trous noirs en rotation. L'autre, comme vous y faites allusion, est la singularité tournante. Vous faites remarquer à juste titre - « comment une singularité peut-elle avoir une vitesse tangentielle » ? Il s'avère que les trous noirs de Kerr n'ont pas de singularités ponctuelles, ils ont des singularités annulaires. Ce sont des "anneaux" de masse avec une largeur nulle mais un rayon fini. Presque comme un disque sans hauteur. Ces anneaux peuvent bien entendu alors avoir une vitesse tangentielle. Vous aviez raison de vous méfier d'une singularité ponctuelle ayant une vitesse tangentielle. Ce n'est pas possible.

Ils ont dit que l'horizon des événements au spin maximum d'un trou noir stellaire est d'environ 1-1/2 km. et que si un trou noir tournait plus vite, le résultat serait un "trou noir nu" qui défierait les lois de la physique (GR).

Nous connaissons exactement l'équation, puisque je l'ai définie plus haut. Le rayon d'un trou noir stellaire (c'est-à-dire un trou noir dont la masse est exactement égale à la masse du Soleil, $M_dot$) est donné par

$$r=frac{GM_{odot}}{c}=1.48:km$$

Alors oui, ils avaient raison sur leur rayon. Ils déclarent également que la rotation plus rapide entraîne une singularité nue. C'est tout à fait vrai. Pour le voir, revenez à l'équation de l'horizon des événements. Rappelez-vous que notre limite de rotation supérieure est que $a=M$. Qu'arrive-t-il à notre rayon d'horizon des événements lorsque $a>M$ (Et ainsi $a/M>1$) ? Pour les arguments disons, disons $a=2M$. Ensuite, notre rayon d'horizon des événements devient

$$r_e=M-(M^2-a^2)^{1/2}=M-(M^2-4M^2)^{1/2}=M-(-3M^2)^{ 1/2}=Misqrt{3}M$$

Du coup notre rayon est complexe et a une composante imaginaire ! Cela signifie qu'il n'est pas physique et donc ne peut pas exister. Maintenant que nous n'avons plus d'horizon des événements, notre singularité ne peut plus se cacher derrière elle et est "nue", exposée à l'univers pour que tout le monde puisse la voir. GR nous dit qu'un tel événement ne devrait pas se produire car il entraîne toutes sortes de violations de la physique. Donc, d'une manière ou d'une autre, quelque chose doit empêcher les trous noirs de tourner plus vite qu'un trou noir maximal.

Tous les trous noirs ne devraient-ils pas tourner extrêmement vite (conservation du moment angulaire) ou un disque d'accrétion rétrograde le ralentirait-il.

Oui, c'est vrai en général. Tous les trous noirs devraient tourner extrêmement vite, simplement à cause de la conservation du moment angulaire. En fait, je ne pense pas pouvoir trouver un cas où un trou noir ne tournerait pas. Ci-dessous, un graphique de cet article de Nature qui montre le spin mesuré de 19 trous noirs supermassifs. Ils tournent tous assez vite avec certains d'entre eux presque à la vitesse de la lumière. Aucun d'entre eux n'est même près de ne pas tourner.


Note de bas de page : En RG, pour faciliter les calculs, les scientifiques adoptent souvent des unités spéciales appelées unités géométrisées. Ce sont des unités choisies de telle manière que la constante gravitationnelle, $G$, et la vitesse de la lumière, $c$, sont égaux à un. Il y a une infinité d'unités qui permettent cela. Essentiellement, cela signifie qu'aucune équation GR n'a $G$ ou alors $c$ en eux, mais ils sont implicitement là, ils sont juste égaux à un et ne sont donc pas montrés.


D'un rapide tour de l'InformationSuperHighway, je dirais que la réponse restera un gâchis compliqué :-) . J'ai trouvé une discussion raisonnablement non mathématique à l'univers d'aujourd'hui

La limite de vitesse est fixée par l'horizon des événements, finalement, à un spin suffisamment élevé, atteint la singularité. Vous ne pouvez pas avoir ce qu'on appelle une singularité nue. Vous ne pouvez pas avoir une singularité exposée au reste de l'Univers. Cela signifierait que la singularité elle-même pourrait émettre de l'énergie ou de la lumière et que quelqu'un à l'extérieur pourrait réellement la voir. Et cela ne peut pas arriver. C'est la limitation physique de la vitesse à laquelle il peut tourner. Les physiciens utilisent des unités pour le moment angulaire exprimées en termes de masse, ce qui est une chose curieuse, et la limite de vitesse peut être décrite comme le moment angulaire égal à la masse du trou noir, et cela définit la limite de vitesse.

Imagine seulement. Le trou noir tourne au point qu'il est sur le point de se révéler. Mais c'est impossible. Les lois de la physique ne le laisseront pas tourner plus vite. Et voici la partie incroyable. Les astronomes ont en fait détecté des trous noirs supermassifs tournant aux limites prédites par ces théories.

Un trou noir, au cœur de la galaxie NGC 1365, tourne à 84 % de la vitesse de la lumière. Il a atteint la limite de vitesse cosmique, et ne peut pas tourner plus vite sans révéler sa singularité.


Je suis sûr que j'ai travaillé cela en détail dans une autre réponse, mais je ne le trouve pas maintenant. Juste pour ajouter un point concernant certains commentaires ci-dessus. Le moment angulaire limite d'un trou noir est (en unités appropriées) le carré de sa masse, tandis que le rayon de Schwarzschild croît avec la masse. Considérons donc un grand (presque) trous noirs de masse tournant au maximum $M$ qui aura un rayon de Schwarzchild $2M$.

Le moment angulaire orbital maximum que vous pouvez y ajouter en tirant une particule de masse $m$ juste à l'intérieur de l'horizon des événements et la vitesse presque $c$ (qui vaut 1 dans ces unités) est donc $2Mm$. Si cette particule est un plus petit trou noir de masse tournant au maximum $m$ et moment cinétique $m^2$ alors le moment cinétique total des trous coalescés est $M^2+2Mm+m^2$ qui est exactement $(M+m)^2$, donc le nouveau trou noir tourne toujours au maximum.


Image astronomique du jour

Découvrez le cosmos ! Chaque jour, une image ou une photographie différente de notre univers fascinant est présentée, accompagnée d'une brève explication écrite par un astronome professionnel.

12 mars 2013
Spin up d'un trou noir supermassif
Crédit d'illustration : Robert Hurt, NASA/JPL-Caltech

Explication: À quelle vitesse un trou noir peut-il tourner ? Si un objet fait de matière ordinaire tourne trop vite, il se brise. Mais un trou noir pourrait ne pas être capable de se séparer – et sa vitesse de rotation maximale est vraiment inconnue. Les théoriciens modélisent généralement les trous noirs en rotation rapide avec la solution de Kerr à la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui prédit plusieurs choses étonnantes et inhabituelles. Peut-être que sa prédiction la plus facilement vérifiable, cependant, est que la matière entrant dans un trou noir en rotation maximale devrait être vue pour la dernière fois en orbite à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, vue de loin. Cette prédiction a été testée récemment par les satellites NuSTAR de la NASA et XMM de l'ESA en observant le trou noir supermassif au centre de la galaxie spirale NGC 1365. La limite de vitesse proche de la lumière a été confirmée en mesurant le chauffage et l'élargissement de la raie spectrale des émissions nucléaires au bord intérieur du disque d'accrétion environnant. La photo ci-dessus est une illustration d'artiste représentant un disque d'accrétion de matière normale tourbillonnant autour d'un trou noir, avec un jet émanant du sommet. Étant donné que la matière tombant au hasard dans le trou noir ne devrait pas faire tourner un trou noir autant, les mesures NuSTAR et XMM valident également l'existence du disque d'accrétion environnant.


ISRO, la NASA vient de repérer un trou noir tournant si vite qu'il pourrait faire tourner l'espace lui-même

En comparaison, le propre trou noir supermassif de la Voie lactée &mdash Sagittarius A* &mdash est relativement inactif. Il se déplace à une vitesse beaucoup plus lente. Tout en l'observant à l'aide de l'infrarouge, le trou noir scintille de temps en temps car il absorbe de la poussière sous forme de gaz. La NASA a d'abord estimé que Sagittarius A * n'absorbait que 1% de l'énergie qui en sort pour se rendre compte que sa consommation est encore plus faible à 1% de ce 1%.

En 2016, le premier satellite indien dédié à l'astronomie, AstroSat, a repéré pour la première fois le trou noir dans le système d'étoiles binaires appelé 4U 1630-47, qui émet des rayons X que les astronomes ont trouvés inhabituels. L'observatoire Chandra X-Ray de la NASA a confirmé plus tard l'explosion.

Ces rayons X ont été causés par le gaz et la poussière tombant dans le trou noir, qui représente environ 10 fois la masse du soleil, et ils ont révélé aux chercheurs que l'objet tournait très, très rapidement.

En fait, selon la NASA, ce trou noir particulier tourne très près de la limite fixée par la théorie de la relativité d'Albert Einstein, selon Rodrigo Nemmen, l'auteur principal du document de recherche. Cela signifie qu'il tourne près de la vitesse de la lumière.

La théorie d'Einstein implique en outre que si un trou noir tourne aussi vite, il est alors capable de faire tourner l'espace lui-même.

En fait, si les conditions autour des trous noirs sont supposées être correctes, alors le taux de rotation élevé couplé aux éléments gazeux entrant dans le trou noir et aux températures élevées, pourrait être la clé pour comprendre comment les galaxies se forment.

Y compris le trou noir découvert par l'AstroSat, il n'y a que cinq trous noirs qui ont mesuré avec précision des vitesses de rotation élevées. Même si vous ne tenez pas compte des taux de rotation, ce trou noir est l'un des 20 autres qui ont été repérés dans la Voie lactée.

AstroSat de l'Organisation indienne de recherche spatiale (ISRO) et l'observatoire Chandra X-Ray de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) ont confirmé la vitesse du trou noir en rotation.

L'étude a été menée par des chercheurs de plusieurs institutions dirigées par le Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) et a été acceptée pour publication dans The Astrophysical Journal.


Le projet Isro-Nasa trouve un trou noir qui tourne près de la vitesse maximale possible

L'Indian Space Research Organisation (Isro) AstroSat, le premier satellite indien dédié à l'astronomie, en coordination avec l'observatoire à rayons X Chandra de la National Aeronautics and Space Administration (Nasa) a découvert qu'un trou noir dans le système stellaire binaire 4U 1630−47 tourne à un taux proche du taux maximum possible.

Les chercheurs ont déclaré que l'étude des trous noirs avec des taux de spin élevés est importante car elle ouvre la voie pour tester les lois et théories fondamentales de l'univers, dont l'une est la théorie de la gravité d'Albert Einstein - la relativité générale. L'importance? Les trous noirs génèrent la force gravitationnelle la plus puissante de l'univers.

Un trou noir, qui est un objet astronomique exotique mais très simple, est créé lorsqu'une étoile massive meurt et que la matière est comprimée dans un espace minuscule sous une lourde force de gravité, piégée dans la lumière.

À l'aide des données de rayons X d'AstroSat et de Chandra, une équipe internationale d'astronomes de plusieurs institutions dirigée par l'Institut de recherche fondamentale Tata (TIFR) a découvert que la vitesse de rotation du trou noir était d'environ 0,9. La vitesse de rotation est une unité sans dimension comprise entre 0 et 1.

L'étude comprenant une équipe internationale d'astronomes de plusieurs institutions et dirigée par TIFR a été acceptée pour publication dans The Astrophysical Journal, une revue scientifique d'astrophysique et d'astronomie à comité de lecture.

Les résultats sont importants, ont déclaré les chercheurs, car jusqu'à présent, les taux de rotation élevés de seulement cinq trous noirs environ ont été quantifiés avec précision. La mesure par AstroSat-Chandra en fait partie. C'est l'un des 20 trous noirs découverts dans notre galaxie. Chacun d'eux environ 10 fois la masse du Soleil.

« Au fur et à mesure que les trous noirs se créent, la masse et la vitesse de rotation sont deux propriétés qui les caractérisent. La masse peut être mesurée plus facilement car elle a un effet à longue portée en raison de la gravité lors de la création du trou noir », a déclaré Sudip Bhattacharyya de TIFR et chercheur principal du télescope à rayons X doux (SXT) d'Astrosat.

"Cependant, les mesures, en particulier de la vitesse de rotation, sont très difficiles à réaliser et ne peuvent être effectuées que par des observations aux rayons X de haute qualité dans le bon état du système stellaire binaire, dans lequel le trou noir est une matière engloutissante de son compagnon. star », a déclaré l'auteur principal Mayukh Pahari. Pahari a commencé ce travail à TIFR, avant de rejoindre un poste de chercheur postdoctoral international Royal Society-SERB Newton à l'Université de Southampton au Royaume-Uni.

Ce sont les instruments SXT et LAXPC (Large Area X-ray Proportional Counter) construits localement à bord de l'Astrosat qui ont d'abord observé le trou noir dans un état favorable afin de pouvoir interpréter les rayons X fin 2016. Suite à cela, l'équipe d'Astrosat a demandé au directeur de Chandra X-ray Observatory d'observer le même trou noir. Après avoir mesuré indépendamment les vitesses de rotation du trou noir, les résultats d'Astrosat étaient cohérents avec les données du satellite Chandra, ce qui rend les résultats robustes. Bhattacharyya a déclaré : « Il s'agit de la première coopération entre l'Inde et les États-Unis utilisant AstroSat et Chandra pour des études sur les trous noirs. Comme il a rencontré un grand succès, d'autres collaborations seront également désormais possibles.

Sudip Bhattacharyya et AR Rao de TIFR (Inde), Mayukh Pahari, IM McHardy, Poshak Gandhi et Diego Altamirano de l'Université de Southampton (Royaume-Uni), Dipankar Bhattacharya et Gulab Dewangan du Centre interuniversitaire d'astronomie et d'astrophysique (Inde), Santosh Vadawale du Physical Research Laboratory (Inde), Stéphane Corbel de l'Université Paris Diderot et du CEA Saclay et de l'Observatoire de Paris (France) et Norbert Schulz du Massachusetts Institute of Technology (USA) ont contribué à cette recherche.


Le trou noir tourne presque à la vitesse de la lumière

Un trou noir ultra-rapide semble repousser la limite de vitesse ultime de l'univers, selon une nouvelle étude.

Un trou noir ultrarapide à près de 60 millions d'années-lumière semble repousser la limite de vitesse ultime de l'univers, selon une nouvelle étude.

Pour la première fois, des astronomes ont réussi à mesurer la vitesse de rotation d'un trou noir supermassif – et il a été cadencé à 84 % de la vitesse de la lumière, ou le maximum autorisé par la loi de la physique.

"La partie la plus excitante de cette découverte est la capacité de tester la théorie de la relativité générale dans un régime aussi extrême, où le champ gravitationnel est énorme et les propriétés de l'espace-temps qui l'entoure sont complètement différentes du cas newtonien standard." a déclaré l'auteur principal Guido Risaliti, du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) et de l'INAF-Arcetri Observatory en Italie. (Connexe : « Une étoile rapide trouvée près d'un trou noir peut tester la théorie d'Einstein. »)

Connus pour déchirer et avaler des étoiles, les trous noirs supermassifs vivent au centre de la plupart des galaxies, y compris notre propre Voie lactée. (Voir les images des trous noirs.)

Ils peuvent contenir l'impact gravitationnel de plusieurs millions, voire de milliards de soleils, déformant l'espace-temps dans la région qui les entoure, ne laissant même pas la lumière s'échapper de leurs griffes.

On estime que le monstre prédateur qui se cache au cœur de la galaxie spirale relativement proche NGC 1365 pèse environ deux millions de fois la masse du soleil et s'étend sur quelque 3,2 millions de kilomètres, soit plus de huit fois la masse du soleil. distance entre la Terre et la Lune, a déclaré Risaliti. (Voir aussi "Black Hole Blast le plus gros jamais enregistré".)

La découverte sans précédent de Risaliti et de ses collègues a été rendue possible grâce aux observations combinées des détecteurs de rayons X à haute énergie de la NASA sur sa sonde NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) et du XMM-Newton à faible énergie de l'Agence spatiale européenne. observatoire spatial.

Les astronomes ont détecté des restes de particules de rayons X d'étoiles encerclant dans un disque d'accrétion en forme de crêpe entourant le trou noir, et ont utilisé ces données pour aider à déterminer sa vitesse de rotation.

En obtenant une solution à cette vitesse de rotation, les astronomes espèrent maintenant mieux comprendre ce qui se passe à l'intérieur des trous noirs géants alors qu'ils déforment gravitationnellement l'espace-temps autour d'eux.

Ce qui est encore plus intriguant pour l'équipe de recherche, c'est que cette découverte apportera des indices sur le passé du trou noir et sur l'évolution de sa galaxie environnante.

Suivre l'évolution de l'univers

Les trous noirs supermassifs ont un impact important sur l'évolution de leur galaxie hôte, où un processus d'autorégulation se produit entre les deux structures.

"Lorsque plus d'étoiles se forment, elles projettent du gaz dans le trou noir, augmentant sa masse, mais le rayonnement produit par cette accrétion réchauffe le gaz dans la galaxie, empêchant ainsi la formation d'étoiles", a déclaré Risaliti.

"Donc, les deux événements - l'accrétion de trous noirs et la formation de nouvelles étoiles - interagissent l'un avec l'autre."

Savoir à quelle vitesse les trous noirs tournent peut également aider à faire la lumière sur l'évolution de l'univers entier. (En savoir plus sur l'origine de l'univers.)

"Avec une connaissance du spin moyen des galaxies à différents âges de l'univers", a déclaré Risaliti, "nous pourrions suivre leur évolution beaucoup plus précisément que nous ne pouvons le faire aujourd'hui."


À quelle vitesse les trous noirs tournent-ils ?

Rendu d'artiste d'un trou noir supermassif. Crédit : NASA / JPL-Caltech.

Il n'y a rien dans l'Univers de plus impressionnant ou mystérieux qu'un trou noir. En raison de leur gravité massive et de leur capacité à absorber même la lumière, ils défient nos tentatives pour les comprendre. Tous leurs secrets se cachent derrière le voile de l'horizon des événements.

À quoi ressemblent-ils? Nous ne savons pas. Ils absorbent tout le rayonnement qu'ils émettent. À quel point sont-ils gros? Ont-ils une taille, ou pourraient-ils être infiniment denses ? Nous ne savons tout simplement pas. Mais il y a quelques choses que nous pouvons savoir. Comme à quel point ils sont massifs et à quelle vitesse ils tournent.

Considérez l'étoile massive qui a précédé le trou noir. Il a été formé à partir d'une nébuleuse solaire, gagnant sa rotation en faisant la moyenne de la quantité de mouvement de toutes les particules individuelles dans le nuage. Au fur et à mesure que la gravité mutuelle rapprochait l'étoile, grâce à la conservation du moment angulaire, elle tournait plus rapidement. Quand une étoile devient un trou noir, elle a toujours toute cette masse, mais maintenant comprimée dans un espace infiniment plus petit. Et pour conserver ce moment angulaire, la vitesse de rotation du trou noir s'accélère… beaucoup. Toute l'histoire de tout ce que le trou noir a jamais consommé, en moyenne jusqu'à un seul chiffre : la vitesse de rotation.

Si le trou noir pouvait se réduire à une taille infiniment petite, on pourrait penser que la vitesse de rotation pourrait également augmenter jusqu'à l'infini. Mais les trous noirs ont une limite de vitesse.

"Il y a une limite de vitesse à la rotation d'un trou noir. C'est en quelque sorte défini par la vitesse de rotation d'un trou noir, plus son horizon des événements est petit."

C'est le Dr Mark Morris, professeur d'astronomie à l'UCLA. Il a consacré une grande partie de son temps à la recherche des mystères des trous noirs.

"Il y a cette région, appelée l'ergosphère entre l'horizon des événements et une autre frontière, à l'extérieur. L'ergosphère est une région très intéressante en dehors de l'horizon des événements dans laquelle une variété d'effets intéressants peuvent se produire."

Imaginez l'horizon des événements d'un trou noir comme une sphère dans l'espace, puis entourant ce trou noir se trouve l'ergosphère. Plus le trou noir tourne vite, plus cette ergosphère s'aplatit.

"La limite de vitesse est fixée par l'horizon des événements, finalement, à une rotation suffisamment élevée, atteint la singularité. Vous ne pouvez pas avoir ce qu'on appelle une singularité nue. Vous ne pouvez pas avoir une singularité exposée au reste de l'Univers. Cela signifierait que la singularité elle-même pourrait émettre de l'énergie ou de la lumière et que quelqu'un à l'extérieur pourrait la voir. Et cela ne peut pas arriver. C'est la limitation physique de la vitesse à laquelle elle peut tourner. Les physiciens utilisent des unités pour le moment angulaire qui sont exprimées en termes de masse , ce qui est une chose curieuse, et la limite de vitesse peut être décrite comme le moment angulaire est égal à la masse du trou noir, et cela définit la limite de vitesse."

Les scientifiques mesurent les vitesses de rotation des trous noirs supermassifs en diffusant la lumière des rayons X en différentes couleurs. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Imagine seulement. Le trou noir tourne au point qu'il est sur le point de se révéler. Mais c'est impossible. Les lois de la physique ne le laisseront pas tourner plus vite. Et voici la partie incroyable. Les astronomes ont en fait détecté des trous noirs supermassifs tournant aux limites prédites par ces théories.

Un trou noir, au cœur de la galaxie NGC 1365, tourne à 84 % de la vitesse de la lumière. Il a atteint la limite de vitesse cosmique, et ne peut pas tourner plus vite sans révéler sa singularité.


Cadencement de la vitesse de rotation d'un trou noir supermassif

Une illustration du système de trou noir binaire dans OJ287. Les prédictions du modèle sont vérifiées par des observations. Crédit : Gary Poyner, Royaume-Uni

Une récente campagne d'observation impliquant plus de deux douzaines de télescopes optiques et le télescope spatial à rayons X SWIFT de la NASA a permis à une équipe d'astronomes de mesurer très précisément le taux de rotation de l'un des trous noirs les plus massifs de l'univers. La vitesse de rotation de ce trou noir massif est un tiers de la vitesse de rotation maximale autorisée en relativité générale. Ce trou noir lourd de 18 milliards de masse solaire alimente un quasar appelé OJ287 qui se trouve à environ 3,5 milliards d'années-lumière de la Terre. Les sources radio quasi-stellaires ou « quasars » en abrégé, sont les centres très brillants de galaxies lointaines qui émettent d'énormes quantités de rayonnement électromagnétique en raison de l'afflux de matière dans leurs trous noirs massifs.

Ce quasar se trouve très près de la trajectoire apparente du mouvement du Soleil sur la sphère céleste vue de la Terre, où la plupart des recherches d'astéroïdes et de comètes sont effectuées. Par conséquent, ses mesures photométriques optiques couvrent déjà plus de 100 ans. Une analyse minutieuse de ces observations montre que le JO 287 a produit des explosions optiques quasi-périodiques à des intervalles d'environ 12 ans remontant à environ 1891. De plus, une inspection minutieuse des ensembles de données plus récents révèle la présence de doubles pics dans ces explosions.

Ces déductions ont incité le professeur Mauri Valtonen de l'Université de Turku, en Finlande, et ses collaborateurs à développer un modèle qui nécessite que le quasar OJ287 abrite deux trous noirs de masse inégale. Leur modèle implique un trou noir massif avec un disque d'accrétion (un disque de matière interstellaire formé par la matière tombant dans des objets comme des trous noirs) tandis que le trou noir comparativement plus petit tourne autour de lui. Le quasar OJ287 est visible en raison de la lente accrétion de matière, présente dans le disque d'accrétion, sur le plus grand trou noir. De plus, le petit trou noir traverse le disque d'accrétion pendant son orbite, ce qui fait chauffer le matériau du disque à des températures très élevées. Ce matériau chauffé s'écoule des deux côtés du disque d'accrétion et rayonne fortement pendant des semaines. Cela provoque des pics de luminosité, et les doubles pics surviennent en raison de l'ellipticité de l'orbite, comme le montre la figure.

Le modèle binaire de trou noir pour OJ287 implique que l'orbite du plus petit trou noir devrait tourner, et cela change où et quand le plus petit trou impacte le disque d'accrétion. Cet effet découle de la théorie de la relativité générale d'Einstein et son taux de précession dépend principalement des deux masses de trous noirs et de la vitesse de rotation du trou noir plus massif. En 2010, Valtonen et ses collaborateurs ont utilisé huit explosions lumineuses bien synchronisées d'OJ287 pour mesurer avec précision le taux de précession de l'orbite du plus petit trou. Cette analyse a révélé pour la première fois le taux de rotation du trou noir massif ainsi que des estimations précises des masses des deux trous noirs. Cela a été possible puisque l'orbite du plus petit trou noir précesse à un incroyable 39 degrés par orbite individuelle. Le modèle relativiste général pour OJ287 a également prédit que la prochaine explosion pourrait se produire à l'époque du centenaire de la GR, le 25 novembre 2015, qui marque le 100e anniversaire de la théorie de la relativité générale d'Einstein.

Une campagne d'observation a donc été lancée pour capter cette explosion annoncée. L'éruption optique prévue a commencé vers le 18 novembre 2015 et a atteint sa luminosité maximale le 4 décembre 2015. C'est le moment de cette explosion lumineuse qui a permis à Valtonen et à ses collègues de mesurer directement le taux de rotation du trou noir le plus massif pour atteindre être un tiers de la vitesse de rotation maximale autorisée en relativité générale. En d'autres termes, son paramètre Kerr est mesuré avec précision à 0,31 et sa valeur maximale autorisée en relativité générale est de un. En comparaison, le paramètre Kerr du trou noir final associé à la toute première détection directe d'ondes gravitationnelles n'est estimé qu'à moins de 0,7.

Les observations conduisant à une mesure précise du spin ont été réalisées grâce à la collaboration d'un certain nombre de télescopes optiques au Japon, en Corée du Sud, en Inde, en Turquie, en Grèce, en Finlande, en Pologne, en Allemagne, au Royaume-Uni, en Espagne, aux États-Unis et au Mexique. L'effort, dirigé par Staszek Zola de Pologne, a impliqué près de 100 astronomes de ces pays. Fait intéressant, un certain nombre de participants clés étaient des astronomes amateurs qui exploitent leurs propres télescopes. L'équipe de Valtonen qui a développé et contribué au modèle de trou noir binaire en rotation comprend l'astrophysicien théorique A. Gopakumar de TIFR, en Inde, et l'astronome italien de rayons X Stefano Ciprini qui a obtenu et analysé les données de rayons X.

L'occurrence de l'explosion optique prédite d'OJ287 a également permis à l'équipe de confirmer la perte d'énergie orbitale due aux ondes gravitationnelles à moins de 2% de la prédiction de la relativité générale. Cela fournit la première preuve indirecte de l'existence d'un énorme trou noir en rotation binaire émettant des ondes gravitationnelles. C'est une nouvelle encourageante pour les efforts du Pulsar Timing Array qui détecteront directement les ondes gravitationnelles de ces systèmes dans un proche avenir. Par conséquent, l'explosion optique actuelle d'OJ287 apporte une contribution appropriée aux célébrations du centenaire de la relativité générale et ajoute à l'excitation de la première observation directe d'un signal d'onde gravitationnelle transitoire par LIGO.


Gaz chaud

L'équipe de McClintock a examiné un trou noir dans notre galaxie appelé GRS 1915+105, qui se trouve à environ 36 000 années-lumière. La matière devient plus chaude à mesure qu'elle se rapproche du trou noir. L'équipe a donc utilisé les observations aux rayons X de Rossi X-ray Timing Explorer de la NASA pour mesurer la température du gaz dans le disque.

Ils ont découvert que l'orbite la plus stable autour de GRS 1915 est si proche que le trou noir doit tourner à près de 1000 fois par seconde – la plus rapide jamais enregistrée.

"L'application de ceci à la compréhension des trous noirs et de la physique des trous noirs est vraiment très importante", a déclaré McClintock. Nouveau scientifique. C'est la chose la plus excitante sur laquelle j'ai travaillé.

Mais une deuxième étude de GRS 1915 suggère que le spin pourrait être plus faible, selon une analyse des mêmes données RXTE par Matthew Middleton de l'Université de Durham, Royaume-Uni, et ses collègues.


Mécanique du trou noir

Introduction

Au cours des 30 dernières années, il a été démontré que les trous noirs possèdent un certain nombre de propriétés surprenantes. These discoveries have revealed unforeseen relations between the otherwise distinct areas of general relativity, quantum physics, and statistical mechanics. This interplay, in turn, led to a number of deep puzzles at the very foundations of physics. Some have been resolved while others continue to baffle physicists. The starting point of these fascinating developments was the discovery of laws of black hole mechanics by Bardeen, Bekenstein, Carter, and Hawking. They dictate the behavior of black holes in equilibrium, under small perturbations away from equilibrium, and in fully dynamical situations. While they are consequences of classical general relativity alone, they have a close similarity with the laws of thermodynamics. The origin of this seemingly strange coincidence lies in quantum physics. For further discussion, see Asymptotic Structure and Conformal Infinity Loop Quantum Gravity Quantum Geometry and Its Applications Quantum Field Theory in Curved Spacetime Stationary Black Holes .

The focus of this article is just on black hole mechanics. The discussion is divided into three parts. In the first, we will introduce the notions of event horizons and black hole regions and discuss properties of globally stationary black holes. In the second, we will consider black holes which are themselves in equilibrium but in surroundings which may be time dependent. Finally, in the third part, we summarize what is known in the fully dynamical situations. For simplicity, all manifolds and fields are assumed to be smooth and, unless otherwise stated, spacetime is assumed to be four dimensional, with a metric of signature −, +, +, +, and the cosmological constant is assumed to be zero. An arrow under a spacetime index denotes the pullback of that index to the horizon.


Supermassive Black Hole’s Dizzying Spin Is Half The Speed Of Light

The spin rate of the most distant supermassive black hole has been measured directly, and wow, is it fast. X-ray observations of RX J1131-1231 (RX J1131 for short) show it is whizzing around at almost half the speed of light. Through X-rays, the astronomers were able to peer at the rate of debris fall into the singularity, yielding the speed measurement.

“We estimate that the X-rays are coming from a region in the disk located only about three times the radius of the event horizon — the point of no return for infalling matter,” stated Jon Miller, an an associate professor of astronomy at the University of Michigan and a co-author on the paper. “The black hole must be spinning extremely rapidly to allow a disk to survive at such a small radius.”

Supermassive black holes are embedded in the heart of most galaxies, and are millions or even billions of times for massive than the Sun. This makes the spin speed astonishingly fast, but also gives astronomers clues about how the host galaxy evolved.

“The growth history of a supermassive black hole is encoded in its spin, so studies of spin versus time can allow us study the co-evolution of black holes and their host galaxies,” stated Mark Reynolds, an assistant research scientist in astronomy at University of Michigan, another co-author on the study.

An artist’s conception of jets protruding from a quasar. Credit: ESO/M. Kornmesser

RX J1131 is six billion light-years away from Earth and classified as a quasar, a type of object that occurs when a lot of matter plunges into a supermassive black hole.

“Under normal circumstances, this faraway quasar would be too faint to study. But the researchers were able to take advantage of a sort of natural telescope effect known as gravitational lensing and a lucky alignment of the quasar and a giant elliptical galaxy to get a closer view,” the University of Michigan stated.

“Gravitational lensing, first predicted by Einstein, occurs when the gravity of massive objects acts as a lens to bend, distort and magnify the light from more distant objects as it passes.”

In this case, the researchers used the Chandra X-ray Observatory and the European Space Agency’s XMM-Newton Telescope to capture the X-ray images.

The research was led Rubens Reis, a postdoctoral research fellow in astronomy the University of Michigan. The paper is published today (March 5) in Nature.


Voir la vidéo: Événement mondial: 1ère image dun trou noir révélée (Février 2023).