Vitesse de distorsion en avant : Comment le trou noir de notre galaxie courbe l'espace-temps

Cette illustration d'artiste montre une coupe transversale du trou noir supermassif et du matériel environnant au centre de notre galaxie. La sphère noire au centre représente l'horizon des événements du trou noir, le point de non-retour à partir duquel rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper. En regardant le trou noir en rotation de côté, tel que représenté dans cette illustration, l'espace-temps environnant est en forme de ballon de football américain. Le matériel jaune-orange de chaque côté représente le gaz tournoyant autour du trou noir. Ce matériel plonge inexorablement vers le trou noir et franchit l'horizon des événements une fois qu'il tombe à l'intérieur de la forme de ballon de football. La zone à l'intérieur de la forme de ballon de football mais à l'extérieur de l'horizon des événements est donc représentée comme une cavité. Les blobs bleus montrent des jets qui s'éloignent des pôles du trou noir en rotation. Crédit : NASA/CXC/M.Weiss

Sagittarius A*, le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée, tourne à une vitesse qui déforme l'espace-temps environnant, influençant la dynamique galactique et affectant potentiellement la future formation d'étoiles.

Le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée tourne si rapidement qu'il déforme l'espace-temps environnant en une forme qui peut ressembler à un ballon de football, selon une nouvelle étude utilisant des données de l'Observatoire Chandra de la NASA et du Very Large Array (VLA) de la National Science Foundation.

Les astronomes appellent ce gigantesque trou noir Sagittarius A* (Sgr A* pour faire court), situé à environ 26 000 années-lumière de la Terre au centre de notre galaxie.

Les trous noirs ont deux propriétés fondamentales : leur masse (combien ils pèsent) et leur rotation (à quelle vitesse ils tournent). Déterminer l'une de ces deux valeurs en dit long aux scientifiques sur un trou noir et sur son comportement.

Une équipe de chercheurs a appliqué une nouvelle méthode qui utilise des données X et radio pour déterminer à quelle vitesse Sgr A* tourne en fonction de la manière dont le matériau s'écoule vers et loin du trou noir. Ils ont découvert que Sgr A* tourne avec une vitesse angulaire - le nombre de révolutions par seconde - qui est d'environ 60% de la valeur maximale possible, une limite fixée par le matériau ne pouvant pas se déplacer plus rapidement que la vitesse de la lumière.

Dans le passé, différents astronomes ont fait plusieurs estimations de la vitesse de rotation de Sgr A* en utilisant différentes techniques, avec des résultats allant de Sgr A* ne tournant pas du tout à une rotation presque maximale.

« Notre travail pourrait aider à résoudre la question de la vitesse de rotation du trou noir supermassif de notre galaxie, a déclaré Ruth Daly de l'Université d'État de Pennsylvanie, qui est l'auteur principal de la nouvelle étude. Nos résultats indiquent que Sgr A* tourne très rapidement, ce qui est intéressant et a des implications étendues. »

Image Chandra en rayons X de Sagittarius A* et de la région environnante. Crédit : NASA/CXC/Univ. du Wisconsin/Y.Bai, et al.

Un trou noir en rotation tire « l'espace-temps » (la combinaison du temps et des trois dimensions de l'espace) et la matière environnante autour de lui en tournant. L'espace-temps autour du trou noir en rotation est également écrasé. En regardant un trou noir d'en haut, le long du canon de tout jet qu'il produit, l'espace-temps a une forme circulaire. En regardant le trou noir en rotation de côté, cependant, l'espace-temps est en forme de ballon de football. Plus la rotation est rapide, plus le ballon de football est plat.

La rotation d'un trou noir peut agir comme une source d'énergie importante. Les trous noirs supermassifs en rotation peuvent produire des écoulements collimatés, c'est-à-dire des faisceaux étroits de matière tels que des jets, lorsque leur énergie de rotation est extraite, ce qui nécessite qu'il y ait au moins une matière dans le voisinage du trou noir. En raison du carburant limité à proximité de Sgr A*, ce trou noir est relativement calme depuis plusieurs millénaires avec des jets relativement faibles. Cependant, ce travail montre que cela pourrait changer si la quantité de matériau dans le voisinage de Sgr A* augmente.

« Un trou noir en rotation est comme une fusée sur le pas de tir, a déclaré Biny Sebastian, co-auteur de l'Université du Manitoba à Winnipeg, Canada. Une fois que le matériau se rapproche suffisamment, c'est comme si quelqu'un avait alimenté la fusée et appuyé sur le bouton de lancement. »

Cela signifie qu'à l'avenir, si les propriétés du matériau et la force du champ magnétique proches du trou noir changent, une partie de l'énorme énergie de la rotation du trou noir pourrait conduire à des écoulements plus puissants. Ce matériau source pourrait provenir de gaz ou des restes d'une étoile déchirée par la gravité du trou noir si cette étoile s'approche trop de Sgr A*.

“Jets powered and collimated by a galaxy’s spinning central black hole can profoundly affect the gas supply for an entire galaxy, which affects how quickly and even whether stars can form,” said co-author Megan Donahue from Michigan State University. “The ‘Fermi bubbles’ seen in X-rays and gamma rays around our Milky Way’s black hole show the black hole was probably active in the past. Measuring the spin of our black hole is an important test of this scenario.”

To determine the spin of Sgr A*, the authors used an empirically based theoretical method referred to as the “outflow method” that details the relationship between the spin of the black hole and its mass, the properties of the matter near the black hole, and the outflow properties. The collimated outflow produces the radio waves, while the disk of gas surrounding the black hole is responsible for the X-ray emission. Using this method, the researchers combined data from Chandra and the VLA with an independent estimate of the black hole’s mass from other telescopes to constrain the black hole’s spin.

“We have a special view of Sgr A* because it is the nearest supermassive black hole to us,” said co-author Anan Lu from McGill University in Montreal, Canada. “Although it’s quiet right now, our work shows that in the future it will give an incredibly powerful kick to surrounding matter. That might happen in a thousand or a million years, or it could happen in our lifetimes.”

The supermassive black hole in the center of the Milky Way is spinning so quickly that it is warping the spacetime surrounding it into a shape that can look like an American football. This result was made using data from NASA’s Chandra X-ray Observatory, an X-ray telescope in space, and the NSF’s Very Large Array, an array of radio telescopes in New Mexico. Credit: NASA/CXC/A. Hobart

The paper describing these results led by Ruth Daly is published in the January 2024 issue of the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Reference: “New black hole spin values for Sagittarius A* obtained with the outflow method” by Ruth A Daly, Megan Donahue, Christopher P O’Dea, Biny Sebastian, Daryl Haggard and Anan Lu, 21 October 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. DOI: 10.1093/mnras/stad3228

In addition to those mentioned above, the authors are Christopher O’Dea (University of Manitoba), and Daryl Haggard (McGill University).

NASA’s Marshall Space Flight Center manages the Chandra program. The Smithsonian Astrophysical Observatory’s Chandra X-ray Center controls science operations from Cambridge, Massachusetts, and flight operations from Burlington, Massachusetts.