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Le trou noir

Le champ magnétique autour d'un trou noir (V)

Comment peut-on expliquer la persistence du disque d'accrétion, le taux de spin élevé des trous noirs, la puissance du jet bipolaire et les éruptions X et gamma ? Il a fallut des décennies pour que les physiciens proposent un modèle convaincant expliquant tous ces phénomènes propres aux trous noirs. Certains modèles comme celui proposé par Roger Penrose en 1969 prenait en compte le trou noir de Kerr ainsi que l'évaporation quantique (voir plus loin) mais ne tenait pas compte des champs magnétiques. Bien que ce processus permit d'expliquer les émissions gamma par effet Compton inverse (Piran et Shaham, 1977) et les productions de paires (Kafatos etr Leiter, 1979), ce type de modèle n'expliquait pas le spectre des AGNs et autres quasars. Ce n'est qu'à partir de 1982 que les modèles prirent en considération les effets des champs magnétiques (Wiita, 1982; Dhurandar et Dadhich, 1984; Parthasarathy et al., 1986, etc) et s'appliquèrent enfin aux AGNs.

Aujourd'hui, avec plus d'un demi-siècle de recul, d'études comparées et de modélisations, tous les phénomènes observés autour d'un trou noir s'expliquent par l'existence d'un champ électromagnétique et d'interactions quantiques dans sa magnétosphère, c'est-à-dire la région aux abords de l'ergosphère où le plasma interagit avec le trou noir comme l'ont montré Thibaut Damour et Rémo Ruffini[7] parmi d'autres chercheurs dès 1975.

A gauche, simulation d'une instabilité dans une étoile neutron massive générant de gigantesques champs magnétiques d'intensité progressivement exponentielle avant l'effondrement de l'étoile en trou noir. Au centre, modèle HDM de la formation du jet bipolaire d'un trou noir à partir du champ magnétique. A droite, schéma de la formation des jets relativistes dans la magnétosphère d'un trou noir tel qu'on peut en observer dans les AGN. Le disque est principalement composé d'un plasma d'électrons-ions tandis que la couronne proche du disque serait composée d'un plasma de paires de particules ou d'un mélange d'ions et de paires de particules. Les lignes de force du champ magnétique prennent une forme en spirale en raison de la rotation du disque autour du trou noir, l'intensité du jet dépendant de la pression magnétique. Les flèches sombres indiquent le sens des courants magnétiques J, les flèches blanches celui des jets de paires de plasma qui s'échappent à des vitesses relativistes. Documents adaptés de D.Siegel/MPI (2003), Christian Fendt/MPI(2009) et Shinji Koide, ApJ (2009).

Depuis les travaux de Faraday en 1831, nous savons que tout corps en mouvement possède un champ magnétique qui génère un champ électrique (cf. le principe de la dynamo) qui est d'autant plus élevé que la rotation du corps et le champ magnétique sont importants. C'est notamment ce champ magnétique qui permet ou non le développement des disques protoplanétaires autour des jeunes étoiles. Son rôle est donc plus qu'important.

Dans le cas d'un trou noir, la relativité générale montre que le champ magnétique, la charge électrique et le taux de rotation sont liés (comme c'est également le cas pour les particules élémentaires). Un peu à la manière d'une protoétoile au stade T Tauri entourée de son disque d'accrétion (à la différence que son disque se forme avant l'étoile), comme on le voit dans les schémas ci-dessus à gauche, lorsqu'une étoile d'effondre et franchit le stade d'étoile neutron, l'intensité de son champ magnétique augmente de manière exponentielle jusqu'à ce qu'elle se transforme en trou noir. Ensuite, même si elle perd ce champ magnétique sous forme d'énergie gravitationnelle (voir plus loin), un nouveau champ magnétique est généré suite à l'interaction du trou noir avec le disque d'accrétion chargé électriquement d'électrons et de protons.

Schéma de la géométrie du champ magnétique dans la partie interne du disque d'accrétion d'un trou noir de Kerr.  Document de E.M. de Gouveia Dal Pino et al. (2005) adapté par l'auteur.

Ce champ magnétique présente des lignes de forces similaires à celle d'un aimant formant un circuit fermé. Toutefois, vu de profil, si le disque d'accrétion et les jets peuvent paraître symétriques, en réalité selon les modèles, la structure magnétique ne présente pas une symétrie parfaite entre ses parties supérieure et inférieure. En effet, les instabilités présentes dans le disque d'accrétion modifient cette symétrie en créant localement des boucles magnétiques comme l'illustre le schéma présenté à droite. Généralement, les lignes du champ magnétique se referment loin du trou noir, dans le disque d'accrétion, formant une configuration bipolaire.

L'accélération des particules et les émissions X se produisent dans le site des reconnexions magnétiques situé à la base de la zone neutre. Quant aux rayons gamma et aux éruptions X, ils sont générés dans la zone de la couronne qui se forme au-dessus de la zone interne du disque d'accrétion où le champ magnétique est ouvert.

Il existe de nombreuses théories plus ou moins supportées pouvant expliquer les différents phénomènes observés à partir des activités électromagnétique et gravitationnelle d'un trou noir. Par simplicité, certains modèles ne prennent pas en considération le champ magnétique mais comme toute approximation, ils sont aussi la source de plus d'erreurs d'interprétations.

Comme on le voit dans les schémas ci-dessus, les modèles expliquent les interactions se déroulant dans la magnétosphère du trou noir entre le plasma et le champ magnétique sous l'effet d'une gravité intense ainsi que les interactions entre le disque d'accrétion et la couronne.

Les reconnexions entre les lignes de la magnétosphère du trou noir et celles émanant du disque d'accrétion ont lieu dans la Région X située dans la partie interne du disque où la pression magnétique magnétosphérique équilibre la pression dynamique (ram pressure) générée par l'accrétion de la matière. La région d'où émane le jet est en principe la même que celle des éruptions les plus fortes (flares) provoquées par les reconnexions magnétiques et correspond à la partie interne du disque. Notons que ceci est compatible avec le scénario de Blandford-Payne décrivant le flux HDM et la production de jets, si ce n'est que ce dernier ne prend pas en compte les interactions entre les lignes de force du champ magnétique du disque d'accrétion et celles de la magnétosphère du trou noir.

Selon les modèles, l'environnement d'un trou noir serait constitué de différents types de plasmas, par exemple des paires de plasma (électron-positrons) dans le jet et dans la couronne et un mélange d'ions et de paires de plasma dans le disque, mais aucune observation n'a encore permis de confirmer cette hypothèse.

Cette question est importante car ces différents plasmas pourraient influencer différemment la dynamique de la magnétosphère d'un trou noir. A ce jour les quelques études basées sur la magnétohydrodynamique newtonienne ou relativiste sont très difficiles à modéliser et ne représentent que des approximations du comportement des plasmas.

A voir : Simulation du jet d'un trou noir supermassif - Simulation du jet de Sgr A*

Vue rapprochée du trou noir supermassif situé au coeur d'un quasar. Entouré d'un gigantesque disque d'accrétion, il est en train de capturer une étoile qu'il va bientôt déformer et déchiqueter. Ce trou noir est en pleine activité, émettant un jet puissant de plasma sur plusieurs centaines de milliers d'années-lumière. Imaginez que tout ceci est en mouvement comme le montre la séquence vidéo présentée ci-dessus sur YouTube. Documents Red Visions et C4 Studio pour le National Geographic Channel.

L'activité du champ magnétique explique également en bonne partie l'existence et les propriétés du phénomène le plus spectaculaire d'un trou noir actif, son jet de plasma.

Structure du jet supersonique

Le jet émis par un trou noir comme celui d'une protoétoile en formation au stade T Tauri est composé de plasma parfois mélangé à des molécules et des ions dans les cas de la partie basse du jet émis par les protoétoiles. Dans de nombreux cas, ce jet bipolaire présente un aspect noueux parfois irrégulier comme on le voit-ci-dessous. Il peut également être torsadé. Comment expliquer cette structure ?

Ce jet de matière est très chaud (~10000 K) et se propage dans le milieu interstellaire où la température est glaciale (~10 K). En principe, sans faire appel à une autre composante, la thermodynamique nous dit que ce plasma devrait entrer en expansion et ne pas être aussi collimaté qu'il apparaît.

Près de l'astre, l'enroulement des lignes de force du champ magnétique peut expliquer le confinement du plasma mais à grande distance, l'intensité de ce champ diminuant, un autre mécanisme doit le remplacer et le pérenniser. Plusieurs théories peuvent expliquer cette collimation à longue distance dont l'effet d'un champ magnétohydrodynamique (MHD) mais dont les modèles souffrent encore de quelques problèmes et l'effet de la pression de radiation du milieu, ce dernier pouvant en plus expliquer les irrégularités visibles dans certains jets.

Ci-dessus à gauche, le jet bipolaire irrégulier émis par le trou noir caché au coeur de Centaurus A, NGC 5128. A droite, le jet de l'objet HH111 mesurant 1500 a.l. et dont les protons et électrons dont il est constitué se déplacent à 500 km/s. Ci-dessous, deux F-16 de l'USAF en mission en Syrie en 2014 et dont la turbine en postcombustion émet une flamme présentant des noeuds. Ils sont provoqués par un plasma supersonique en présence d'instabilités et de chocs internes. On observe le phénomène avec les moteurs du SR-71 en postcombustion (et sur cette image) ou avec les moteurs cryogéniques (SSME) de la navette spatiale au décollage. Documents NASA, NASA/ESA/STScI, NASA, USAF/LM et AFP.

Un jet présentant une série de noeuds résulte soit d'un phénomène de pulsation de la source émettrice (étoile ou trou noir et dans l'exemple ci-dessus, la turbine des avions supersoniques) soit d'une variation de vitesse de ses composantes. La période de ces variations est proche du temps caractéristique de la composante transversale (RJ /VJ). Ce phénomène peut entraîner une chaîne de chocs régulièrement espacés (~1000 UA pour l'objet protostellaire HH111) pouvant s'étendre sur plusieurs milliers d'années-lumière. Ces noeuds de plasma évoluent dans le temps et se propagent avec des vitesses variant entre quelques dizaines de km/s près de la source à plusieurs centaines de km/s à grande distance. Dans le cas des trous noirs galactiques et des AGNs, le jet peut atteindre des vitesses supraluminiques par effet relativiste. Parfois ce jet est torsadé si la source est en rotation.

Evolution en spirale d'un flux d'électrons dans un champ magnétique dirigé vers la droite. Document Ask Mathematician.

Ces explications sont fondées sur des théories supportées par des simulations informatiques, mais quelle preuve avons-nous qu'un trou noir "fonctionne" réellement de cette manière ? Comment être certain que des modèles élaborés il y a 10 ans ou plus sont toujours d'actualité et que les astronomes ne se fourvoient pas dans des voies sans issue ?

Depuis que les astronomes étudient les disques circumstellaires et les disques d'accrétion des trous noirs, nous savons que se sont les forces antagonistes d'attraction et centrifuge qui génèrent la viscosité nécessaire au transport de la matière (son moment angulaire) et permettent au trou noir de grandir et voir son rayonnement d'amplifier. Selon les modèles, sans ce champ magnétique l'accrétion s'arrêterait et les jets s'affaibliraient. Mais jusqu'à présent, si ce mécanisme explique assez bien les émissions des trous noirs (de leur disque), tant les jets relativistes que les éruptions soudaines ou prolongées (sursauts gamma, flares et autres afterglows), les astronomes n'avaient pas de preuve observationnelle.

C'est en mesurant la polarisation du rayonnement autour du trou noir de Sgr A* situé au centre de la Voie Lactée qu'une équipe internationale d'astronomes a enfin obtenu cette preuve en 2015, soit après plus de 50 ans de recherches théoriques et d'observation des trous noirs ! En effet, les émissions radioélectriques de Sgr A* sont générées par des électrons de haute énergie spiralant autour des lignes de forces du champ magnétique comme l'illustre la photographie de gauche (le plasma évoluant dans un tokamak se déplace de la mêne manière). Ce phénomène produit des émissions fortement polarisées à l'échelle microscopique liées à l'orientation locale du champ magnétique. C'est ainsi que la polarisation permet de tracer la structure du champ magnétique des trous noirs ou des galaxies.

La découverte de cette polarisation autour de Sgr A* prouve l'existence de champs magnétiques autour de ce trou noir et a permis pour la première fois de mesurer ses dimensions et son intensité. L'étape suivante consiste à observer son disque d'accrétion grâce aux moyens interférométriques de l'Event Horizon Telescope (EHT). On y reviendra en temps utile.

La superradiance

Une autre particularité du trou noir est de pouvoir émettre des ondes électromagnétiques. Ce n’est pas paradoxal. Imaginons un front d’ondes électromagnétiques qui s’incurve en passant près d’un trou noir puis se propage au loin. Etant donné que certaines particules seront capturées par le trou noir, l’intensité du faisceau dispersé sera inférieure à celle du faisceau incident. Mais il est également possible que l’intensité de l’onde dispersée soit supérieure à celle de l’onde incidente. Deux conditions doivent être remplies : le trou noir doit être en rotation puisqu’il s’agit de la seule énergie qui puisse s’en échapper, ensuite la fréquence du rayonnement doit être inférieure à la fréquence de rotation du trou noir. Ce processus d’amplification est appelé la "superradiance" et fut découvert par Y.Zel’dovitch. C’est Igor Novikov alors à l’Université de Moscou qui médiatisa cette théorie avec le succès que l’on sait.

La superradiance se manifeste également dans les ondes gravitationnelles. Le facteur d’amplification est faible pour les ondes électromagnétiques, il est de 4.4%, mais il atteint 138% dans le cas des ondes gravitationnelles.

Selon Novikov, si on parvient à placer une sphère artificielle réfléchissant les ondes électromagnétiques autour d’un trou noir en rotation, la condition de superradiance peut être rencontrée un court instant. Cela signifie que pendant que les ondes sont attirées vers le trou noir, elles seront amplifiées, puis se propageront dans l’espace avant d’être réfléchies par la sphère qui l’entoure. Elles seront réattirées vers le trou noir où l’amplification se répétera. Ce processus provoque une augmentation de l’énergie de radiation du trou noir en avalanche. Le trou noir et la sphère réfléchissante deviennent un générateur de rayonnement qui, sous la pression de radiation, finira par faire exploser le système : c’est une bombe gravitationnelle !

A présent que nous avons décrit la structue et les paramètres d'un trou noir, décrivons quelques unes de ses plus étonnantes propriétés.

Prochain chapitre

L’évaporation des trous noirs

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[7] Lire l'article de Thibaut Damour et Remo Ruffini (1975) décrivant la manière dont l'énergie électromagnétique peut s'extraire grâce à la polarisation du vide en créant des jets et des sursauts gamma et celui de Thibaut Damour (1978) sur les courants turbulents des trous noirs.


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