Les trous noirs supermassifs sont des monstres Galaxy

Il y a un trou noir supermassif au centre de notre galaxie. Il ne peut pas être vu directement à travers des télescopes ou avec nos yeux, mais les astronomes savent qu'il est là. En fait, il y a des trous noirs supermassifs au cœur de nombreuses galaxies. Comment les astronomes savent-ils que ces monstres se cachent dans les noyaux galactiques? Ils utilisent diverses méthodes pour étudier la lumière lorsqu'elle passe par un trou noir et ils étudient également la région autour d'un trou noir pour comprendre comment elle affecte les nuages ​​de gaz, la poussière et même les étoiles à proximité. Actuellement, le trou noir supermassif de la Voie lactée, appelé Sagittaire A *, est assez calme, et les astronomes le surveillent dans de nombreuses longueurs d'onde de lumière pour comprendre ses actions.

Pourquoi la fascination pour les trous noirs?

Les trous noirs sont un favori dans les histoires et les médias de science-fiction. Parfois, ils sont utilisés comme périphérique de traçage pour permettre une sorte de truc de voyage interstellaire. Ou, ils sont présentés dans un voyage dans le temps ou dans un autre élément important d'une histoire. Aussi fascinantes que soient ces histoires, la réalité derrière ces monstres étranges est plus intrigante que les écrivains ne peuvent l'imaginer. Quels sont les faits entourant les trous noirs supermassifs? Y a-t-il une science derrière les représentations de science-fiction des trous noirs supermassifs? Découvrons-le.

Que sont les trous noirs supermassifs?

Généralement, les trous noirs supermassifs sont exactement ce que leur nom dit: des trous noirs vraiment, vraiment massifs. Ils mesurent des centaines de milliers de masses solaires (une masse solaire égale la masse du Soleil) jusqu'à des milliards de masses solaires. Ils possèdent un pouvoir immense et exercent une influence incroyable sur leurs galaxies.

L'attraction gravitationnelle d'un trou noir présumé forme un disque de gaz frais ressemblant à un frisbee, au cœur d'une galaxie. Des observations ultérieures de Hubble dans une autre galaxie ont confirmé la réalité des trous noirs monstrueux des trous de gravitation qui retiennent tout, même la lumière. L. Ferrarese (Johns Hopkins University) et la NASA

La plupart des trous noirs supermassifs existent dans les noyaux des galaxies. Cet emplacement central leur permet (au moins partiellement) de maintenir les galaxies ensemble. Leur gravité est si immense, en raison de leur masse incroyable, que même des étoiles à des centaines de milliers d'années-lumière sont liées en orbite autour d'elles et des noyaux de galaxies qu'elles habitent.

Les trous noirs et leurs incroyables densités

Chaque fois que les astronomes parlent de trous noirs, la propriété principale qu'ils utilisent qui distingue les trous noirs des autres objets "normaux" de l'univers est la densité. Il s'agit de la quantité de "trucs" emballés dans le volume d'un trou noir. La densité au cœur des trous noirs est si élevée qu'elle devient essentiellement infinie. Plus précisément, le volume (la quantité d'espace qu'un trou noir et sa masse cachée occupent) approche zéro. Cela signifie que c'est un peu plus qu'un petit point dans l'espace, mais ce petit point, appelé singularité, contient une quantité incroyable de masse. Cela le rend incroyablement dense. Cette densité est répartie dans toute la région du trou noir, de la singularité à l'horizon des événements (qui est le point où la gravité du trou noir est trop forte pour que quoi que ce soit puisse résister. 

Un modèle d'un trou noir entouré de matériau chauffé ionisé). C'est peut-être à cela que ressemble le trou noir de la Voie lactée. Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.   

Cela ressemble à si l'intérieur du trou noir (au-delà de l'horizon des événements) pourrait être incroyablement écrasé, sans place. Fait intéressant, il existe une expérience de pensée qui dit que la densité moyenne des trous noirs supermassifs peut en fait être inférieure à l'air que les humains respirent. En fait, plus la masse est grande, plus Moins dense le trou noir supermassif est, si l'on considère l'ensemble du volume de la zone de la singularité à l'horizon des événements. La masse serait distribuée à travers cette région, avec plus de masse à la singularité que dans les «périphéries». 

Si c'est vrai, il ne serait pas seulement possible d'approcher un trou noir supermassif, on pourrait théoriquement tomber dans un trou noir supermassif et survivre pendant un certain temps jusqu'à se rapprocher de la singularité. Cependant, il y a un gros problème: la gravité. Il est si fort que tout ce qui passe devant l'horizon des événements serait déchiré par l'attraction gravitationnelle extrême. Voilà pour les voyages en trou de ver! 

Comment se forment les trous noirs supermassifs?

La formation de trous noirs supermassifs est toujours l'un des mystères de l'astrophysique. Les trous noirs normaux sont les restes de noyau laissés derrière l'explosion de supernova d'une étoile massive. Plus l'étoile est massive, plus le trou noir laissé derrière lui est massif.

On pourrait donc supposer que des trous noirs supermassifs sont créés à partir de l'effondrement d'une étoile supermassive. Le problème est que peu de ces étoiles ont été détectées. De plus, la physique nous dit qu'ils ne devraient même pas exister en premier lieu. Cependant, ils le font. Les étoiles les plus massives représentent des dizaines à cent fois la masse du Soleil. Quelques hypergiantes rares peuvent atteindre jusqu'à 300 masses stellaires. Pourtant, même ces monstres sont loin des types de masses qui seraient nécessaires pour créer un trou noir supermassif. Pour dire les choses franchement: il faut BEAUCOUP plus de masse pour faire un trou noir supermassif que ce que contiennent même les étoiles les plus supermassives. 

La collision de deux trous noirs - un événement extrêmement puissant détecté pour la première fois par l'observatoire à ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser, ou LIGO - est vue dans cet alambic à partir d'une simulation informatique. LIGO a détecté des ondes gravitationnelles, ou des ondulations dans l'espace et le temps générées lorsque les trous noirs se sont enroulés en spirale, se sont heurtés et ont fusionné. Cette simulation montre comment la fusion apparaîtrait à nos yeux si nous pouvions en quelque sorte voyager dans un vaisseau spatial pour regarder de plus près. Il a été créé en résolvant des équations de la théorie générale de la relativité d'Albert Einstein en utilisant les données LIGO. LIGO / CalTech

Donc, si ces objets ne sont pas créés à la manière traditionnelle des autres trous noirs, d'où viennent les trous noirs monstres? L'idée principale est qu'ils ont formé des trous noirs beaucoup plus petits pour en construire de grands. Finalement, l'accumulation de masse conduirait à la création d'un trou noir supermassif. Il s'agit d'une théorie hiérarchique de la construction d'un trou noir supermassif. Il y a quelques problèmes avec cette théorie car elle nécessite l'étude des trous noirs supermassifs de "masse intermédiaire". Ils seraient le "entre b étape" des petits trous noirs aux monstres supermassifs. Les astronomes commencent à en détecter davantage et à étudier leurs caractéristiques particulières pour combler les lacunes de la théorie hiérarchique. 

Black Holes, le Big Bang et les fusions

Une autre théorie dominante sur la création de trous noirs supermassifs est qu'ils se sont formés dans les premiers moments suivant le Big Bang. Bien sûr, tout n'est pas complètement compris sur les conditions pendant cette période afin de comprendre comment les trous noirs ont joué un rôle et ce qui a stimulé leur formation. 

Les observations des trous noirs supermassifs et de masse intermédiaire connus suggèrent que la théorie de la fusion est probablement l'explication la plus simple. L'examen des trous noirs supermassifs les plus anciens, les plus éloignés et les plus massifs, les quasars en particulier, montre que la fusion de nombreuses galaxies a joué un rôle. Lorsque les galaxies fusionnent, il semble que leurs trous noirs le fassent aussi. Les fusions jouent un rôle dans le façonnement des galaxies que nous voyons aujourd'hui, et il est donc logique que leurs trous noirs centraux puissent venir pour la balade et grandir avec les galaxies. Fait intéressant, lorsque ces trous noirs fusionnent, ils envoient beaucoup d'énergie. L'action émet également des ondes gravitationnelles, que les astronomes sont en mesure de mesurer.

Si les fusions sont la réponse, elles fournissent une solution partielle au problème du trou noir intermédiaire. Dans les deux cas, la réponse n'est pas encore claire. Il reste encore beaucoup à faire pour observer et caractériser les galaxies et leurs trous noirs.

La science dans la science-fiction

Pour en revenir à la science-fiction et aux trous noirs, il existe des propriétés qui plient complètement l'esprit que les écrivains ont utilisées. Les histoires de voyages plus rapides que les voyages légers, les voyages interstellaires et les voyages dans le temps imprègnent les romans de science-fiction. Il y a même des théories selon lesquelles les trous noirs sont des passerelles vers des univers alternatifs.

Deux vaisseaux spatiaux pénètrent dans un trou de ver dans l'espace pour atteindre un univers dans une autre partie de la galaxie. Images Corey Ford / Stocktrek

Existe-t-il des preuves à l'appui de ces idées? En fait, oui, mais seulement dans des circonstances très extrêmes. L'idée d'utiliser des trous noirs comme des trous de ver qui nous relient d'une manière ou d'une autre à l'autre côté de l'univers existe depuis des décennies. C'est un grand fantasme fantaisiste qui ne deviendra probablement pas réalité de sitôt.

Les possibilités ont même été calculées en utilisant la physique sérieuse et la relativité générale. Donc, théoriquement, ces choses pourraient arriver, comme cela a été montré dans le film de 2014 Interstellaire. Le physicien qui a travaillé avec les cinéastes a proposé quelques idées théoriques qui ont soutenu le film et travaillé scientifiquement. Cependant, la technologie requise n'est toujours pas disponible et diverses conditions spéciales doivent être remplies. Mais qui sait - une grande partie de la technologie que les humains utilisent aujourd'hui pour le vol était également autrefois considérée comme impossible. 

Faits rapides

• Des trous noirs supermassifs existent au cœur de nombreuses galaxies, dont la Voie lactée.
• Certaines galaxies, comme la galaxie d'Andromède, peuvent avoir plus d'un de ces monstres.
• Lorsque les galaxies fusionnent, leurs trous noirs peuvent également fusionner.
• Les trous noirs supermassifs peuvent avoir jusqu'à des milliards de masses stellaires cachées à l'intérieur.
• Notre propre voie lactée a un trou noir supermassif appelé Sagittaire A *

Sources

• Mohon, Lee. "Les trous noirs supermassifs dépassent leurs galaxies." NASA, NASA, 15 février 2018, www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/supermassive-black-holes-are-outgrowing-their-galaxies.html.
• Saplakoglu, Yasemin. «Se concentrer sur la formation des trous noirs supermassifs.» Scientifique américain, 29 septembre 2017, www.scientificamerican.com/article/zeroing-in-on-how-supermassive-black-holes-formed1/.
• «Trou noir supermassif | COSMOS." Centre d'astrophysique et de superordinateurs, astronomy.swin.edu.au/cosmos/s/supermassive black hole.

Édité et mis à jour par Carolyn Collins Petersen.