Types de trous noirs
Il existe quatre types de trous noirs en fonction de leur masse : stellaire, intermédiaire,
Les trous noirs de masse stellaire sont petits mais mortels
La Voie lactée contient environ cent millions de noirstrous qui se sont formés à la suite de l'effondrement d'étoiles très massives. Chacun de ces trous noirs stellaires pèse environ 10 fois notre Soleil. Très peu de ces trous noirs sont à proximité d'une étoile ordinaire qui se déverse lentement dans un trou noir. Lorsque ce gaz tombe vers le trou noir, il est chauffé par forte gravité et frottement. Près d'un trou noir, le gaz atteint une température typique de 10 millions de degrés Celsius. Ces sources de rayons X provenant de trous noirs sont faciles à observer dans toute la Voie lactée, ainsi que dans les galaxies voisines, à l'aide d'observatoires à rayons X en orbite.
Il est à noter que tout trou noir complètementest décrit par seulement deux nombres qui déterminent sa masse et sa vitesse de rotation. Nous ne connaissons rien de plus simple qu'une particule élémentaire comme un électron. Les scientifiques du CFA ont mesuré ces deux paramètres fondamentaux - masse et spin - pour plus d'une douzaine de trous noirs stellaires, étudiant tous les aspects de ces trous noirs et de leurs systèmes.
Malgré son omniprésence dans l'univers,les trous noirs restent des objets extrêmement mystérieux. Nous avons besoin d'une théorie de la gravité quantique qui combinera la théorie de la relativité d'Einstein de 1916 avec la théorie de la mécanique quantique de 1926. Une telle théorie n'existe pas, malgré des décennies d'efforts théoriques de la part de physiciens qui étudient la théorie des cordes et d'autres. La création de la théorie de la gravité quantique deviendra la couronne de la physique au même titre que les réalisations de Newton, Einstein et d'autres géants.
Trou noir de masse moyenne (IMBH) - Coincé au milieu
Entre les classes de trous noirs de magnitude stellaireEt supermassif, il doit y avoir un intermédiaire supplémentaire. En tout cas, selon les lois de la logique. Ne devrait-il pas y avoir des trous noirs de taille moyenne qui font la différence entre les trous noirs de masse stellaire et les trous noirs supermassifs ? Ces masses cosmiques moyennes, qui peuvent varier d'environ 100 à 1 million de masses solaires (bien que la plage exacte varie selon la personne à qui vous posez la question), sont appelées trous noirs de masse intermédiaire (IMBH). Et bien que les astronomes aient trouvé plusieurs candidats convaincants pour l’IMBH dispersés dans tout l’Univers, la question de savoir s’ils existent réellement n’est toujours pas résolue. Cependant, les preuves commencent à s’accumuler.
Bien que preuve d'existence définitiveIMBH reste insaisissable, avec un certain nombre d'études au cours des dernières décennies révélant des preuves intrigantes suggérant l'existence de ces trous noirs pas très grands, pas très petits.
Une illustration d'un jeune trou noir, comme deux quasars éloignés sans poussière récemment découverts par le télescope spatial Spitzer. (Image courtoisie de la NASA / JPL-Caltech)
Par exemple, en 2003, les chercheurs ont utiliséL'observatoire spatial XMM-Newton de l'ESA pour identifier deux sources de rayons X fortes et distinctes dans la galaxie en étoile proche NGC 1313. Parce que les trous noirs ont tendance à dévorer violemment les matériaux qui se rapprochent trop et crachent haut. - les rayonnements énergétiques, ils comptent parmi les sources connues de rayonnement X les plus puissantes. En identifiant les sources de rayons X dans NGC 1313 et en étudiant leur explosion périodique, en 2015, les chercheurs ont pu limiter la masse de l'un des supposés trous noirs de la galaxie connu sous le nom de NGC 1313 X-1. Ils estiment que c'est environ 5000 fois la masse du Soleil, à donner ou à prendre, ce qui le place avec confiance dans la gamme de masse d'un trou noir de masse intermédiaire.
De même, en 2009, des chercheurs ont découvertune preuve encore plus solide de l’existence d’un trou noir de taille moyenne. Située à environ 290 millions d’années-lumière du bord de la galaxie ESO 243-49, l’équipe a observé une source de rayons X incroyablement brillante appelée HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), qui n’a pas d’équivalent optique. Cela suggère que l’objet observé n’est pas simplement une étoile ou une galaxie. De plus, les chercheurs ont découvert que la signature des rayons X de HLX-1 changeait avec le temps, ce qui suggère que le trou noir devient plus brillant à chaque fois qu'une étoile proche s'en rapproche, alimentant en gaz et provoquant de courtes rafales de rayons X qui disparaissent ensuite lentement. loin. Sur la base de la luminosité des éruptions observées, les chercheurs ont calculé que la masse minimale du trou noir était environ 500 fois supérieure à celle du Soleil, bien que certaines estimations rapprochent son poids de 20 000 masses solaires.
Actuellement, les détecteurs d'ondes gravitationnellesLIGO et Virgo se sont associés pour découvrir 20 trous noirs de masse stellaire qui fusionnent pour former des trous noirs avec des masses de 20 à 80 masses solaires. Bien que LIGO-Virgo n'ait détecté aucun BH (plus de 100 masses solaires), les chercheurs sont optimistes quant à leur détection à l'avenir.
Trou noir de Planck (Micro trou noir)
Un trou noir de Planck est un trou noir hypothétique avec la plus petite masse possible, qui est égale à la masse de Planck.
La densité de matière d'un tel trou noir estenviron 1094 kg/m³ et constitue probablement la masse volumique maximale réalisable. La physique à de telles échelles doit être décrite par des théories de la gravité quantique qui n’ont pas encore été développées. Un tel objet est identique à une particule élémentaire hypothétique avec (vraisemblablement) la masse maximale possible – un maximon.
Les trous noirs de Planck sont caractérisés par despetite section transversale d'interaction. La petitesse de la section efficace pour l'interaction des maximons neutres avec la matière conduit au fait qu'une partie significative (voire la principale) de la matière dans l'Univers à l'heure actuelle pourrait être constituée de maximons, sans conduire à une contradiction avec les observations. En particulier, les maximons pourraient jouer le rôle de matière invisible (matière noire), dont l'existence est actuellement reconnue en cosmologie.
Trous noirs supermassifs - la naissance des géants
De petits trous noirs habitent l'univers, mais leurcousins, trous noirs supermassifs, dominent. Ces énormes trous noirs sont des millions, voire des milliards de fois plus massifs que le Soleil, mais à peu près de la même taille en diamètre. On pense que ces trous noirs se trouvent au centre de pratiquement toutes les galaxies, y compris la Voie lactée.
Les scientifiques ne savent pas à quel pointtrous noirs. Une fois que ces géants se sont formés, ils collectent une masse de poussière et de gaz autour d'eux, une matière abondante au centre des galaxies, leur permettant d'atteindre des tailles encore plus grandes.
Des trous noirs supermassifs pourraient en être le résultatfusions de centaines ou de milliers de petits trous noirs. Les gros nuages de gaz peuvent également être responsables de leur effondrement et de leur augmentation rapide de masse. Ou bien s’agit-il de l’effondrement d’un amas d’étoiles, d’un groupe d’étoiles tombant ensemble. Les trous noirs supermassifs peuvent provenir de grandes accumulations de matière noire. Il s'agit d'une substance que l'on peut observer grâce à son effet gravitationnel sur d'autres objets ; cependant, nous ne savons pas de quoi est constituée la matière noire car elle n’émet pas de lumière et ne peut pas être observée directement.
Une nouvelle classe de trous noirs : les trous noirs « super-supermassifs » ou énormes
Donc, comme nous le savons déjà, notre Univers contienténormes trous noirs. Le trou noir supermassif au centre de notre galaxie a une masse de 4 millions de soleils, mais il est assez petit, comme les trous noirs galactiques. De nombreux trous noirs galactiques ont une masse d'un milliard de masses solaires, et la masse du trou noir le plus massif connu est estimée à environ 70 milliards de soleils. Mais quelle peut être la taille d'un trou noir?
Pour rendre le trou noir vraiment massifelle doit absorber une grande quantité de substance au début de sa vie. S'il consomme lentement de la matière, la galaxie environnante se mettra en place et l'univers se développera, de sorte que le trou noir ne pourra pas capturer beaucoup plus de matière. Mais lorsqu'un trou noir engloutit rapidement une grande quantité de matière, la matière devient très chaude et a tendance à repousser d'autres matières, ce qui rend difficile la croissance du trou noir.
Basé sur les observations des plus grands noirstrous et simulations informatiques de la formation de trous noirs, on pense que la limite supérieure de la masse des trous noirs galactiques est d'environ 100 milliards de masses solaires. Mais de nouvelles recherches suggèrent que la limite de masse pourrait être beaucoup plus élevée.
Dans les travaux des scientifiques, il est noté que, bien queles trous noirs galactiques ont probablement une limite de masse solaire de centaines de milliards, des trous noirs plus grands peuvent s'être formés indépendamment dans les premiers stades de l'univers. Ces trous noirs primordiaux peuvent représenter plus d'un million de fois la masse des plus grands trous noirs galactiques. L'équipe de recherche les appelle des trous noirs incroyablement grands ou SLAB (trous noirs incroyablement grands).
L'idée des trous noirs primordiaux existe depuis longtemps.Ils ont été proposés comme une solution à tout, de la matière noire à la raison pour laquelle nous n'avons pas encore découvert une hypothétique neuvième planète dans notre système solaire. Mais les modèles théoriques suggèrent que les trous noirs primordiaux seraient beaucoup plus petits que même les trous noirs de masse stellaire formés par de minuscules fluctuations de densité dans l'univers primitif. Mais cette nouvelle étude suggère que la matière noire et d'autres facteurs pourraient provoquer une croissance colossale chez certains d'entre eux.
Si l'univers primitif était riche en noirmatière, en particulier une forme de matière noire connue sous le nom de particules massives à faible interaction (WIMP), alors le trou noir primordial pourrait consommer de la matière noire pour se développer rapidement. Puisque la matière noire n'interagit pas fortement avec la lumière, la matière noire piégée n'émettra pas beaucoup de lumière ou de chaleur pour ralentir son taux de croissance. En conséquence, ces trous noirs auraient pu être énormes avant même que l'univers ne se refroidisse et que les galaxies ne se forment. La limite de masse supérieure pour SLAB dépendra de la façon dont la matière noire WIMP interagit avec elle-même, donc si nous détectons des SLAB, cela pourrait nous aider à comprendre la matière noire.
Comment l'humanité peut-elle utiliser les trous noirs?
La théorie de la relativité prédit queles trous noirs rotatifs peuvent être utilisés comme sources d'énergie. En 1969, Roger Penrose a décrit un processus pour y parvenir. Il y a une ergosphère autour des trous noirs en rotation - la région qui précède l'horizon des événements. Tous les corps de l'ergosphère tournent avec le trou noir.
Processus Penrose (également appelé mécanismePenrose) considère théoriquement les trous noirs comme un moyen d’extraire de l’énergie. Une telle extraction peut se produire si l'énergie de rotation du trou noir n'est pas située à l'intérieur de l'horizon des événements, mais à l'extérieur, dans la région de l'espace-temps de Kerr. Dans cette ergosphère, toute particule se déplace nécessairement en mode locomotive simultanément à l'espace-temps en rotation, c'est-à-dire tous les objets qui s'y trouvent sont emportés par lui. Dans ce cas, un morceau de matière entrant dans l’ergosphère est divisé en deux parties. Par exemple, la matière peut être constituée de deux parties séparées par le tir d’un explosif ou d’un missile qui écarte ses moitiés. L'impulsion de deux morceaux de matière lorsqu'ils se séparent peut être arrangée de telle sorte qu'un morceau s'échappe du trou noir (il "s'échappe à l'infini") et que l'autre tombe au-delà de l'horizon des événements dans le trou noir. Avec un placement soigneux, la partie de la matière qui s'échappe peut avoir une énergie de masse supérieure à celle d'origine, tandis que la partie qui tombe reçoit une énergie de masse négative. Même si l’élan est conservé, l’effet est que plus d’énergie peut être extraite de ce processus que ce qui était initialement prévu. De plus, la différence est apportée par le trou noir lui-même. Le processus se traduit ainsi par une légère diminution du moment cinétique du trou noir, ce qui correspond à un transfert d'énergie vers la matière. L'impulsion perdue, à son tour, est convertie en énergie extraite.
Le processus de Penrose indique la possibilitéobtenir de l'énergie d'un trou noir, mais ce n'est pas une bonne méthode pratique. Pour sa mise en œuvre, il est nécessaire que deux particules nouveau-nés aient une vitesse supérieure à la moitié de la vitesse de la lumière. La fréquence attendue de tels événements est si rare qu'elle ne permettra pas d'obtenir une quantité d'énergie significative.
Par conséquent, les scientifiques recherchent activement d'autres mécanismes.Par exemple, Stephen Hawking a montré que les trous noirs peuvent libérer de l'énergie par rayonnement thermique. Une autre façon d'extraire de l'énergie est le processus Blanford-Znaek, basé sur l'interaction électromagnétique.
Luca Comisso de l'Université de Columbia et Felipe A. Asenjo de l'Université Adolfo Ibanez décrivent une autre alternative au processus de Penrose dans leur article.
Les trous noirs sont entourés de plasma chaud, de particulesqui ont un champ magnétique. La base d'un nouveau mécanisme pour obtenir de l'énergie à partir des trous noirs en rotation est la reconnexion des lignes de champ magnétique à l'intérieur de l'ergosphère. Dans ce cas, le trou noir doit être dans un champ magnétique externe, avoir un grand spin (a ~ 1) et le plasma environnant avec une forte aimantation. Les propriétés nécessaires sont possédées, par exemple, par des trous noirs formés à la suite de sursauts gamma longs et courts et des trous noirs supermassifs dans les noyaux galactiques actifs.
La reconnexion magnétique accélère une partie du plasma enle sens de rotation du trou. L'autre partie accélère dans la direction opposée et tombe au-delà de l'horizon des événements. La libération d'énergie, comme dans le mécanisme de Penrose, se produit si le plasma absorbé a une énergie négative et que celui accéléré «s'échappe» de l'ergosphère. La différence est que la formation de particules à énergie négative nécessite la dissipation de l'énergie du champ magnétique. Dans le processus décrit par Penrose, seule l'inertie des particules joue un rôle.
Comme le disent les scientifiques, l'efficacité du processus décrit est de 150pour cent. Cela signifie que le processus vous permet d'obtenir une fois et demie plus d'énergie que ce dont vous avez besoin pour sa mise en œuvre. Atteindre une efficacité de plus de 100% est possible, car les particules de plasma libérées de l'ergosphère emportent l'énergie du trou noir. La découverte d'un nouveau mécanisme d'extraction d'énergie des trous noirs permettra aux astronomes de mieux estimer leur moment de rotation et de comprendre comment ils rayonnent d'énergie. La découverte est encore loin d'être pratique: il faut savoir comment voler jusqu'au trou noir et placer quelque chose dans son ergosphère sans tomber au-delà de l'horizon des événements.
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