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Posté par Adrien le Vendredi 02/06/2017 à 00:00
Des radioastronomes ont mesuré la masse d'un trou noir par chronométrie d'un pulsar
Une équipe de scientifiques de l'Université de Manchester (Royaume-Uni), du Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement et de l'Espace, LPC2E (CNRS/Université d'Orléans), de l'Institut néerlandais de radioastronomie (Pays-Bas) et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Max Planck de radioastronomie (La radioastronomie est une branche de l'astronomie qui s'occupe de l'observation du ciel dans le domaine des ondes radio. C'est une science relativement jeune qui a fait ses débuts dans les années 1930.) (Allemagne) a publié une étude du pulsar (Un pulsar, dont le nom provient de l'abréviation de pulsating radio source (source radio pulsante), est le nom donné à une étoile à neutrons tournant très rapidement sur...) B1820-30A dans l'amas globulaire NGC 6624, basée sur l'analyse de plus de 25 ans d'observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête...) radio de ce pulsar. L'analyse des données de chronométrie révèle que ce pulsar est vraisemblablement en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5...) d'un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper...) de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) intermédiaire, situé au centre de l'amas. Cette découverte publiée dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society suggère que d'autres amas globulaires pourraient abriter des trous noirs de masse intermédiaire en leur coeur.

L'un des amas globulaires de la Voie Lactée, NGC 6624, abrite au moins six pulsars connus, repérés par observations radio. L'un d'entre eux, PSR B1820-30A, est un « pulsar milliseconde », tournant sur lui-même à une fréquence de près de 184 tours à chaque seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une...). La fréquence de rotation d'un pulsar, ses variations et accélérations au fil du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) peuvent se mesurer grâce à la technique de « chronométrie » des pulsars. Cette technique consiste à observer un pulsar avec un télescope sur plusieurs mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) à plusieurs années, à chronométrer les clignotements de ce pulsar avec une précision pouvant aller jusqu'à la nanoseconde (un milliardième de seconde), et à ajuster les dates des clignotements ainsi mesurées à l'aide d'un modèle contenant toutes les propriétés connues du pulsar: par exemple, sa position dans le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.), sa fréquence de rotation en fonction du temps, ou encore des effets plus fins comme son mouvement propre (En astronomie, on appelle mouvement propre le mouvement apparent des étoiles sur la sphère céleste. Il fut découvert en 1718 par Edmund Halley lorsqu'il...) ou un éventuel mouvement orbital autour d'un compagnon.


Grand radiotélescope décimétrique de Nançay, France. Crédits: Station de Radioastronomie de Nançay, Observatoire de Paris/CNRS/Université d'Orléans.

De telles observations chronométriques de PSR B1820-30A ont été conduites aux radiotélescopes de Jodrell Bank au Royaume-Uni sur plus de 25 ans, et au grand radiotélescope de Nançay en France, sur environ 10 ans. L'analyse des centaines d'observations conduites à travers ce programme a permis de suivre sur presque trois décennies la fréquence de rotation du pulsar et ses variations avec une grande précision, pour l'une des premières fois pour un pulsar milliseconde au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des...) d'un amas globulaire. Les chercheurs ont ainsi pu déterminer très précisément la fréquence de rotation apparente du pulsar et ses deux premières dérivées temporelles (la variation et l'accélération) ; mais de manière beaucoup plus surprenante, les observations ont également permis de mesurer deux dérivées temporelles supplémentaires, ce qui est généralement impossible pour un pulsar milliseconde en si peu de temps. Ces variations complexes de la rotation apparente de PSR B1820-30A restaient cependant à éclaircir.


Radiotélescope de Jodrell Bank, Royaume-Uni. Crédits: Jodrell Bank Centre for Astrophysics, The University of Manchester.

Parmi les pulsars connus dans des amas globulaires, PSR B1820-30A possède la propriété remarquable d'être le pulsar situé le plus près du centre de son amas hôte. De ce fait, si NGC 6624 a en son centre un astre extrêmement massif (Le mot massif peut être employé comme :) tel qu'un trou noir, celui-ci pourra par sa présence influencer le mouvement de PSR B1820-30A dans l'amas. Au fil du mouvement, la fréquence apparente de rotation du pulsar sur lui-même s'en trouvera alors artificiellement augmentée ou diminuée par effet Doppler. La mesure de la fréquence de rotation de PSR B1820-30A et de ses variations montre de manière formelle que le pulsar - que l'on croyait jusqu'ici isolé - est en mouvement autour d'un autre astre, mouvement qui induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en...) par effet Doppler des variations artificielles de la fréquence de rotation apparente du pulsar. La modélisation des variations complexes mesurées sur 25 ans suggère que le pulsar est animé d'un mouvement orbital autour d'un trou noir de masse supérieure à 7500 fois la masse du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type...), dans une orbite extrêmement excentrique de plus de 2000 fois la distance Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la...) - Soleil.

Ce résultat semble confirmer l'hypothèse selon laquelle les amas globulaires ont en leur centre des trous noirs de masse « intermédiaire », dont l'origine demeure assez mal comprise. Ces trous noirs pourraient par exemple avoir été formés lors de l'effondrement d'étoiles primordiales super-massives, résulter de la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une...) de nombreux trous noirs stellaires, ou encore résulter de la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) de groupes d'étoiles. Ils constituent ainsi des chaînons manquants entre trous noirs « stellaires » et « super-massifs ».


Sources d'émission radio dans la partie centrale de l'amas globulaire NGC 6624. La croix rouge indique la position de PSR B1820-30A. La position du centre de l'amas est représentée par une croix noire. Figure extraite de Perera et al., MNRAS 468, 2114 (2017).

Cette découverte démontre enfin l'importance des observations de pulsars dans des amas globulaires. Pendant les années à venir, les radiotélescopes de Jodrell Bank et de Nançay continueront à observer le pulsar B1820-30A, ce qui devrait permettre d'améliorer la mesure de la masse du trou noir central. Des observations de pulsars au sein d'autres amas globulaires seront également conduites, pour tenter de détecter les trous noirs centraux et mesurer leur masse. En cas de succès, les détections fourniraient des informations capitales sur les trous noirs au centre des amas globulaires, sur leur formation et sur l'évolution des amas eux-mêmes.


L'amas globulaire NGC 6624 observé par le télescope spatial Hubble de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale...). Le diamètre apparent de l'amas est d'environ 9 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la...) d'arc. Crédits: NASA/ESA/Wikisky.org.

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Source: CNRS-INSU
 
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