L’un des aspects les plus notables de notre planète – s’il est observé de l’extérieur – est qu’il tourne. Le spin de la Terre définit nos jours, définissant le rythme fondamental de la vie sur notre monde.
La lune tourne aussi. Il en va de même pour les planètes et toutes leurs lunes. Le soleil tourne également, tout comme les étoiles. Même les galaxies tournent; La Voie lactée tourne alors que les étoiles se balancent autour de son centre dans des orbites de plusieurs millions d’années.
Il semble donc évident que, cosmiquement parlant, tout tourne – mais ce fait de base devient carrément bizarre dans le cas de trous noirs qui tourne la tête. Il s’avère que le spin, il s’avère que l’une des caractéristiques les plus importantes pour ces monstres gravitationnels et a des impacts de grande envergure de la façon dont ils se régalent sur la matière à la façon dont ils peuvent façonner la structure même des galaxies.
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Le moment angulaire est le concept de base à comprendre lors de la réflexion sur les trous noirs en rotation. C’est comme l’élan que vous connaissez de votre vie quotidienne (ce que nous appelons l’élan linéaire) mais pour un objet tournant. Il est plus facile de penser en termes d’inertie – c’est-à-dire à quel point il est difficile d’empêcher un objet de tourner. Plus quelque chose tourne plus vite – et plus ce quelque chose est massif – plus il a une inertie et plus son filage est difficile à s’arrêter.
Le moment angulaire est une caractéristique particulière d’un objet en ce qu’il est conservé. En l’absence d’une force externe, quelque chose qui tourne seul continuera de tourner pour toujours. Si vous essayez de le ralentir ou de l’accélérer, par exemple, l’attraper, une partie de son moment angulaire vous sera transféré (ou de vous à vous) afin que le moment angulaire combiné et total entre vous et ne change pas.
Le moment angulaire d’un objet dépend de son taux de rotation (bien sûr!), Sa masse et, surtout pour notre discussion, sa taille. Les patineurs de glace fournissent un exemple classique: ils jettent leurs bras larges pour commencer un tour, puis, lorsqu’ils rapprochent leurs bras de leur corps, leur taux de rotation skyrocket de façon vertigineuse. C’est ainsi que le moment angulaire est conservé; La taille diminue, donc le taux de rotation augmente.
Il en va de même pour les étoiles, qui sont équilibrées sur la cuspide entre l’explosion de l’extérieur en raison de leur rayonnement et de leur effondrement vers l’intérieur en raison de leur gravité interne. Lorsqu’une étoile de masse élevée manque de carburant, cet équilibre est rompu et le noyau s’effondre, générant une gigantesque explosion – une supernova – qui explose les couches extérieures de l’étoile. Alors que le noyau rétrécit, il tourne également. Et si sa masse est plus de trois fois le soleil, le noyau (qui était auparavant des dizaines de milliers de kilomètres de large) deviendra un trou noir à peine 10 kilomètres environ de diamètre.
Cette réduction dramatique peut augmenter le rotation du trou noir par un facteur de plusieurs millions sur son ancêteur stellaire plus calme afin qu’il tourne des centaines de fois par seconde. Et parce que le moment angulaire est conservé, même si presque tout le reste de l’étoile est anéanti dans la naissance du trou noir, le spin colle.
En fait, seuls trois facteurs peuvent être utilisés pour définir un trou noir: sa masse, son moment angulaire et sa charge électrique. En réalité, cette charge sera neutre ou très proche, donc en termes pratiques, les deux premiers facteurs sont essentiels.
Pour cette raison, nous nous attendons à ce que la plupart, sinon la totalité, des trous noirs tournent très rapidement.
C’est un concept étrange car les trous noirs n’ont pas de surface physique qui peut tourner. Mais étant donné que le moment angulaire ne peut pas être détruit, les trous noirs doivent le conserver lorsqu’ils se forment.
Et cela doit être vrai pour les trous noirs nés des étoiles, ainsi que les trous noirs supermassifs que nous voyons dans les centres des grandes galaxies, même si nous ne comprenons pas pleinement comment ces géants se forment. Et remarquablement, dans certains cas, nous pouvons en fait mesurer ces tours cosmiques colossaux.
L’astuce consiste à réaliser que, même si le moment angulaire d’un trou noir ne peut pas simplement disparaître, il peut certainement grandir. Le matériau tombant dans un trou noir ajoute son moment angulaire au système, augmentant le rotation du trou noir. Il y a une limite théorique à la vitesse à laquelle un trou noir peut tourner; C’est un concept mathématique compliqué, mais effectivement, cette limite est lorsque le trou noir tourne à la vitesse de la lumière. Il est possible, bien que difficile, de mesurer la rotation d’un trou noir par la façon dont la lumière est émise par le matériau juste avant qu’il ne tombe, et, par exemple, le Galaxy NGC 1365 à proximité a un trou noir supermassif central qui a été mesuré pour être tourné à peu près à cette limite.
Mais bien sûr, cela devient plus étrange. Un aspect bizarre de la théorie générale de la relativité d’Einstein est que l’espace-temps peut agir comme un tissu, une substance dans laquelle les masses sont intégrées. Einstein a prédit qu’en tant qu’objets massifs qui tournaient, ils traînent l’espace-temps autour d’eux dans ce qu’on appelle l’effet d’observation de la lentille, ou plus généralement «traînant le cadre». L’effet est le plus fort très proche de l’horizon de l’événement du trou noir, son point de non-retour, et s’affaiblit avec la distance. C’est comme coller un mélangeur à main dans un grand bol de miel; Le miel à proximité tournera avec le mélangeur, mais est si visqueux que quelques centimètres, il se déplacera à peine.
Cette traînée de trame relativiste affecte profondément les matériaux juste à l’extérieur du trou noir. Le matériau près du trou noir est traîné avec l’espace qui l’entoure, accélérant en volant de l’énergie dans le rotation du trou noir. Ce matériau mobile génère un champ magnétique fort, alimenté par la rotation. Alors que la matière orbite le trou noir, les lignes de champ magnétique se retrouvent, créant des tourbillons jumeaux comme les tornades. Ceux-ci sont si puissants qu’ils peuvent éloigner la matière du trou noir et l’accélérer à presque la vitesse de la lumière! Les astronomes appellent ces poutres «jets» et avec des trous noirs supermassifs, ils peuvent durer des centaines de milliers d’années-lumière.
Les astronomes ne savent toujours pas comment se forment des trous noirs supermassifs. Deviennent-ils énormes à partir de matériaux tombant de la galaxie hôte encore formant, ou de nombreux trous noirs plus petits se forment-ils au centre et fusionnent pour créer un seul énorme? Le rotation du trou noir résultant peut nous dire la réponse. S’il se forme à partir d’un disque de matériau infaillible, le rotation sera proche de la limite, mais s’il s’est formé à partir d’autres trous noirs se déplaçant dans des directions aléatoires qui fusionnent, leurs tours peuvent annuler, laissant un dernier trou noir avec un rotation inférieure. Ce n’est pas tout à fait aussi simple, bien sûr, mais il peut être possible en principe d’observer les jeunes trous noirs supermassifs avec quelque chose comme le télescope spatial James Webb, pour voir si le spin peut être mesuré et l’une des méthodes de formation soutenues ou réduites.
Nous connaissons les formes de trou noir supermassive et se développe avec sa galaxie hôte. Alors que le gaz protogalactique d’un énorme nuage s’effondre et se fusionne en étoiles, le trou noir en son centre est déjà énorme et tourne rapidement. S’il forme des jets, ceux-ci labourent la question qui tombe pour former la galaxie elle-même, claquant ce matériau et inversant même son cours, le faisant exploser. Cela peut éteindre la formation d’étoiles, limitant le nombre d’étoiles de la galaxie. De cette façon, le rotation d’un trou noir affecte directement la taille et la structure de la galaxie qui l’entoure.
Peu importe comment vous les regardez, les trous noirs sont bizarres. Le fait qu’ils existent et que nous pouvons les comprendre est, pour moi, excitant et profond. Nous vivons dans une galaxie avec un trou noir supermassif en son centre, et nous pouvons lui devoir notre existence. Cela seul est une raison suffisante pour essayer de les comprendre.