Les trous noirs, il est possible de calculer leur masse en analysant leur alimentation

Représentation artistique d’un trou noir supermassif : ce dernier est invisible, mais la matière tourbillonnant à grande vitesse autour de lui et formant le « disque d’accrétion » est visible. Cette matière, lorsqu’elle traverse l’horizon des événements, provoque un pic de luminosité dans le disque. Ces fluctuations aléatoires de la luminosité peuvent être analysées pour comprendre la masse du trou noir (crédit : Mark A. Garlick/Simons Foundation).

Il est possible de comprendre la taille d’un trou noir en analysant les schémas par lesquels il assimile la matière qui l’entoure, selon une équipe de chercheurs de l’université de l’Illinois Urbana-Champaign. En particulier, il est possible d’analyser le « scintillement » de la luminosité qui se produit lorsque la matière passe l’horizon des événements.

La méthode peut être appliquée à de très grands trous noirs supermassifs.

La méthode peut être appliquée à de très grands trous noirs supermassifs, des trous noirs dont la masse peut être équivalente à des millions, voire des milliards de fois celle du Soleil, et qui possèdent autour d’eux de la matière qu’ils peuvent attirer et englober. Ces énormes trous noirs se trouvent généralement au centre des galaxies.
Comme pour tout trou noir, il est impossible de les intercepter directement car ils n’émettent pas de lumière. Il est toutefois possible d’intercepter la lumière causée, croit-on, par le « rebond » énergétique qui se produit lorsque le trou noir lui-même acquiert de la matière.

Une autre méthode pour détecter les trous noirs

Une autre méthode, qui ne fait pas l’objet de cette étude, peut être mise en œuvre s’il y a un nombre suffisant d’étoiles autour, consiste à intercepter les effets gravitationnels du trou noir supermassif sur ces étoiles. Cette dernière méthode est, par exemple, appliquée au trou noir supermassif situé au centre de la Voie lactée : les mouvements anormaux des étoiles qui l’entourent ont été analysés et la présence d’un trou noir supermassif a été établie.

Le scintillement de la luminosité peut être analysé.

Dans la nouvelle étude, la première méthode est examinée : la lumière autour d’un trou noir, causée par le tourbillonnement rapide des matériaux et des gaz, et non par le trou noir lui-même, n’est pas constante. Il y a une sorte de scintillement, des changements dans les niveaux de luminosité qui peuvent se produire sur des échelles de temps très différentes, allant de quelques heures à des décennies.
Comme le souligne Colin Burke, un étudiant diplômé en astronomie soutenu par le professeur Yue Shen, deux des auteurs de l’étude, les études qui ont tenté de comprendre la relation qui existe entre ce scintillement et la masse du trou noir supermassif ont été diverses mais, selon le chercheur, peu concluantes, parfois controversées.

Échelle de temps du scintillement corrélée à la masse du trou noir

Les chercheurs ont, dans ce cas, utilisé un vaste ensemble de données et identifié une échelle de temps particulière qui semble être étroitement corrélée à la masse du trou noir. Ils ont ensuite constaté qu’il en allait de même pour les naines blanches, les restes d’étoiles « mortes », et ont découvert une relation entre le taux de scintillement et la masse des naines blanches elles-mêmes.
Selon les chercheurs, ces scintillements de lumière provenant de la zone entourant les trous noirs supermassifs sont dus à des fluctuations aléatoires dans le processus d' »alimentation » des trous noirs eux-mêmes. Ces fluctuations peuvent être quantifiées en fonction des échelles de temps.

Des trous noirs plus massifs caractérisés par des pics de luminosité se produisant à des rythmes plus longs

Pour comprendre cette relation, les chercheurs donnent un exemple particulier qui tient compte de l’activité alimentaire humaine : alors que les enfants rots plus fréquemment lorsqu’ils boivent du lait, les adultes peuvent conserver le même rot plus longtemps. Les trous noirs supermassifs semblent agir de manière très similaire : les plus grands et les plus massifs semblent être caractérisés par des pics de luminosité qui se produisent à des rythmes plus longs.
Selon les chercheurs, ces processus sont universels et affectent non seulement les trous noirs mais aussi d’autres types d’objets, notamment les naines blanches, qui sont beaucoup plus légères.
« Le lien stable entre le scintillement lumineux observé et les propriétés fondamentales de l’accréteur nous aidera certainement à mieux comprendre les processus d’accrétion », explique Yan-Fei Jiang, scientifique au Flatiron Institute et autre auteur de l’étude.

Une méthode utile pour découvrir davantage de trous noirs de masse intermédiaire

Cette méthode, selon les chercheurs, pourrait également servir à détecter davantage de trous noirs de masse intermédiaire. Ces trous noirs sont plus petits et plus légers que les trous noirs supermassifs, mais mystérieusement, ils semblent être beaucoup plus rares, à tel point que le seul trou noir confirmé est un trou noir de 150 fois la masse de notre Soleil qui a été découvert par hasard grâce aux ondes gravitationnelles.
« Maintenant qu’il existe une corrélation entre le modèle de scintillement et la masse de l’objet central en accrétion, nous pouvons l’utiliser pour prédire à quoi pourrait ressembler le signal de scintillement d’un trou noir de masse intermédiaire », explique Burke.

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