L'observatoire infrarouge Spitzer de la NASA a récemment observé l'éruption du système binaire de trous noirs géants OJ 287, dans l'intervalle de temps estimé par le modèle développé par les astrophysiciens. Cette observation a permis de tester différents aspects de la relativité générale, le « théorème de l'absence de cheveux », et a prouvé qu'OJ 287 est bien une source d' ondes gravitationnelles infrarouges.
La galaxie OJ 287 , située dans la constellation du Cancer à 3.5 milliards d'années-lumière de la Terre, abrite deux trous noirs : un trou noir massif, d'une masse supérieure à 18 milliards de fois celle du Soleil, et un trou noir plus petit, d'une masse d'environ 150 millions de fois celle du Soleil . Ils forment ainsi un système binaire . En orbitant autour du trou noir massif, le trou noir plus petit traverse l'immense disque d'accrétion de gaz et de poussière qui entoure son compagnon, produisant un flash lumineux plus intense que mille milliards d'étoiles.
Le plus petit trou noir entre en collision avec le disque d'accrétion du plus grand deux fois tous les douze ans. Cependant, en raison de son orbite oblongue irrégulière (dite quasi-képlérienne en termes mathématiques, comme illustré dans la figure ci-dessous), les éruptions peuvent survenir à des moments différents – parfois à seulement un an d'intervalle ; d'autres fois, jusqu'à dix ans d'intervalle (1). Plusieurs tentatives de modélisation de l' orbite et de prédiction des éruptions ont échoué jusqu'en 2010, année où des astrophysiciens ont créé un modèle capable de prédire leur survenue avec une marge d'erreur d'une à trois semaines. La précision du modèle a été démontrée par la prédiction, à trois semaines près, de l'apparition d'une éruption en décembre 2015.
Un autre élément d'information important ayant contribué à l'élaboration d'une théorie convaincante du système binaire de trous noirs OJ 287 est le fait que les trous noirs supermassifs peuvent être des sources d' ondes gravitationnelles . Ceci a été établi suite à l'observation expérimentale d' ondes gravitationnelles en 2016, produites lors de la fusion de deux trous noirs supermassifs. OJ 287 a été prédit comme étant la source d' ondes gravitationnelles infrarouges (2).
En 2018, un groupe d'astrophysiciens a proposé un modèle encore plus précis, affirmant pouvoir prédire l'heure des futures éruptions solaires à quelques heures près (3). Selon ce modèle, la prochaine éruption devait se produire le 31 juillet 2019, avec une marge d'erreur de 4.4 heures. Le modèle prévoyait également la luminosité de l'éruption induite par l'impact lors de cet événement. L'événement a été observé et confirmé par le télescope spatial Spitzer de la NASA (4), mis hors service en janvier 2020. Spitzer était notre seul espoir d'observer cet événement prédit, car cette éruption était invisible depuis le sol ou en orbite terrestre , le Soleil se trouvant alors dans la constellation du Cancer, tandis que la Terre et OJ 287 étaient situées de part et d'autre de cette constellation. Cette observation a également prouvé qu'OJ 287 émet des ondes gravitationnelles dans l'infrarouge, comme prévu. Selon cette théorie, l'éruption induite par l'impact d'OJ 287 devrait avoir lieu en 2022.
L'observation de ces éruptions remet en question le « théorème de l'absence de surface » (5,6), qui stipule que si les trous noirs n'ont pas de véritable surface, il existe une frontière autour d'eux au-delà de laquelle rien – pas même la lumière – ne peut s'échapper. Cette frontière est appelée horizon des événements. Ce théorème postule également que la matière qui forme un trou noir ou qui y tombe « disparaît » derrière l' horizon des événements et est donc définitivement inaccessible aux observateurs extérieurs, suggérant ainsi que les trous noirs sont « dépourvus de surface ». Une conséquence immédiate de ce théorème est que les trous noirs peuvent être entièrement caractérisés par leur masse , leur charge électrique et leur spin intrinsèque. Selon certains scientifiques, cette limite extérieure du trou noir, c'est-à-dire l'horizon des événements, pourrait être irrégulière, contredisant ainsi le « théorème de l'absence de surface ». Cependant, s'il faut prouver la validité du « théorème de l'absence de cheveux », la seule explication plausible est que la répartition inégale de la masse du grand trou noir déformerait l' espace qui l'entoure de telle sorte qu'elle entraînerait un changement de trajectoire du plus petit trou noir , et par conséquent un changement du moment de la collision du trou noir avec le disque d'accrétion sur cette orbite particulière , provoquant ainsi un changement dans le moment d'apparition des éruptions observées.
Comme on pouvait s'y attendre, les trous noirs sont difficiles à sonder. Par conséquent, à l'avenir, de nombreuses observations expérimentales supplémentaires concernant les interactions des trous noirs , avec leur environnement ainsi qu'avec d'autres trous noirs, devront être menées avant de pouvoir confirmer la validité du « théorème de l'absence de cheveux ».
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Références:
- Valtonen V., Zola S., et al. 2016, "Spin primaire du trou noir dans OJ287 tel que déterminé par l'éruption centenaire de la relativité générale", Astrophys. J. Lett. 819 (2016) n°2, L37. EST CE QUE JE: https://doi.org/10.3847/2041-8205/819/2/L37
- Abbé BP., et al. 2016. (Collaboration scientifique LIGO et Collaboration Virgo), "Observation des ondes gravitationnelles d'une fusion de trous noirs binaires", Phys. Rév. Lett. 116, 061102 (2016). EST CE QUE JE: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
- Dey L., Valtonen MJ., Gopakumar A. et al 2018. "Authentification de la présence d'un binaire de trou noir massif relativiste dans OJ 287 à l'aide de son évasement centenaire de la relativité générale : paramètres orbitaux améliorés", Astrophyse. J. 866, 11 (2018). EST CE QUE JE: https://doi.org/10.3847/1538-4357/aadd95
- Laine S., Dey L., et al 2020. « Observations de Spitzer de l'éruption d'Eddington prévue de Blazar OJ 287 ». Lettres du journal astrophysique, vol. 894, n° 1 (2020). EST CE QUE JE: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab79a4
- Gürlebeck, N., 2015. "Théorème sans cheveux pour les trous noirs dans les environnements astrophysiques", Physical Review Letters 114, 151102 (2015). EST CE QUE JE: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.151102
- Hawking Stephen W., et al 2016. Cheveux doux sur les trous noirs. https://arxiv.org/pdf/1601.00921.pdf
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