Les fusées éclairantes du trou noir binaire supermassif OJ 287 imposent une contrainte sur le «théorème sans cheveux»

L'observatoire infrarouge de la NASA Spitzer a récemment observé l'éruption du gigantesque système de trou noir binaire OJ 287, dans l'intervalle de temps estimé prédit par le modèle développé par les astrophysiciens. Cette observation a testé différents aspects de la relativité générale, le "théorème sans cheveux", et a prouvé que OJ 287 est bien une source d'ondes gravitationnelles infrarouges.

La solution JO 287 galaxie, située dans la constellation du Cancer à 3.5 milliards d'années-lumière de la Terre, a deux trous noirs - le plus grand avec plus de 18 milliards de fois la masse du Soleil et en orbite c'est un trou noir plus petit avec environ 150 millions de fois la masse solaire, et ils forment un système binaire de trous noirs. En orbite autour du plus grand, le plus petit trou noir s'écrase à travers l'énorme disque d'accrétion de gaz et de poussière entourant son plus grand compagnon, créant un éclair de lumière plus brillant qu'un billion 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 (appelée quasi-keplarienne dans la terminologie mathématique, comme le montre la figure ci-dessous), les éruptions peuvent apparaître à des moments différents - parfois aussi peu qu'un an d'intervalle ; d'autres fois, jusqu'à 10 ans d'intervalle (1). Plusieurs tentatives pour modéliser l'orbite et prédire quand les éruptions se produiraient ont échoué jusqu'en 2010, lorsque les astrophysiciens ont créé un modèle qui pouvait prédire leur apparition avec une erreur d'environ une à trois semaines. La précision du modèle a été démontrée en prédisant l'apparition d'une éruption en décembre 2015 à moins de trois semaines.

Une autre information importante qui a contribué à l'élaboration d'une théorie réussie du système binaire de trous noirs OJ 287 est le fait que les trous noirs supermassifs peuvent être des sources d'ondes gravitationnelles - ce qui a été établi après l'observation expérimentale des ondes gravitationnelles en 2016, produit lors de la fusion de deux trous noirs supermassifs. OJ 287 a été prédit pour être la source d'ondes gravitationnelles infrarouges (2).

En 2018, un groupe d'astrophysiciens a fourni un modèle encore plus détaillé et a affirmé être capable de prédire le moment des futures éruptions à quelques heures près (3). Selon ce modèle, la prochaine éruption aurait lieu le 31 juillet 2019 et l'heure a été prédite avec une erreur de 4.4 heures. Il a également prédit la luminosité de l'éruption induite par l'impact qui se produirait au cours de cet événement. L'événement a été capturé et confirmé par le télescope spatial Spitzer de la NASA (4), qui a pris sa retraite en janvier 2020. Pour observer l'événement prévu, Spitzer était notre seul espoir car cette éruption ne pouvait être vue par aucun autre télescope au sol ou en orbite terrestre. , car le Soleil était dans la constellation du Cancer avec OJ 287 et la Terre se trouvant sur ses côtés opposés. Cette observation a également prouvé que OJ 287 émet des ondes gravitationnelles dans la longueur d'onde infrarouge, comme prévu. Selon cette théorie proposée, l'éruption induite par l'impact du JO 287 devrait avoir lieu en 2022.

Les observations de ces flares mettent une contrainte sur le «Pas de théorème des cheveux” (5,6) qui déclare que si les trous noirs n'ont pas de vraies surfaces, il y a une frontière autour d'eux au-delà de laquelle rien – pas même la lumière – ne peut s'échapper. Cette limite est appelée l'horizon des événements. Ce théorème postule également que la matière qui forme un trou noir ou y tombe « disparaît » derrière l'horizon des événements du trou noir et est donc en permanence inaccessible aux observateurs extérieurs, suggérant que les trous noirs n'ont « pas de cheveux ». Une conséquence immédiate du théorème est que les trous noirs peuvent être caractérisés complètement avec leur masse, leur charge électrique et leur spin intrinsèque. Selon certains scientifiques, ce bord extérieur du trou noir, c'est-à-dire l'horizon des événements, pourrait être bosselé ou irrégulier, contredisant ainsi le « théorème sans cheveux ». Cependant, si l'on doit prouver l'exactitude du "théorème de l'absence de cheveux", la seule explication plausible est que la distribution de masse inégale du grand trou noir déformerait l'espace qui l'entoure de telle manière qu'elle conduirait à un changement. de trajectoire du plus petit trou noir, et à son tour changer le moment de la collision du trou noir avec le disque d'accrétion sur cette orbite particulière, provoquant ainsi un changement dans le temps d'apparition des éruptions observées.

Comme on peut s'y attendre, les trous noirs sont difficiles à sonder. Par conséquent, à mesure que nous avançons, de nombreuses autres observations expérimentales concernant les interactions des trous noirs, avec l'environnement ainsi qu'avec d'autres trous noirs, doivent être étudiées avant de pouvoir confirmer la validité du «théorème sans cheveux».

***

Références:

1. 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
2. Abbott 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. Hawking Stephen W., et al 2016. Cheveux doux sur les trous noirs. https://arxiv.org/pdf/1601.00921.pdf

***