Trou noir et rayons X

[Kyn]

Bonjour,

La définition du "trou noir", telle qu'on peut la lire sur ce site, me laisse perplexe. En effet, on comprend dès les premiers mots que le champ gravitationnel est si intense qu'il empêche tout forme de matière ou de rayonnement de s'en échapper. Pourtant, on parvient tout de même à observer de manière indirecte une quantité important de rayons X émis par la matière happée par le trou noir.

Ce rayonnement est-il émis avant un certain point de "non retour" au-delà duquel aucun rayonnement ni aucune particule ne peut s'échapper ?

[franckpiton]

Ce rayonnement est-il émis avant un certain point de "non retour" au-delà duquel aucun rayonnement ni aucune particule ne peut s'échapper ?

Bingo !

[Kyn]

Oui d'accord.

Cela répond à ma question sur les rayons X émis par la matière "chauffée" happée par le trou.

Qui des jets émis par les trous noirs supermassifs? Quelle est leur nature? Faut-il raisonner de la même manière?

[bongo1981]

C'est le disque d'accrétion qui émet le rayonnement X (la partie interne du disque est soumise à des forces plus importantes que la partie externe, d'où des frottements, et chauffage intense, d'où le type de rayonnement émis, dans le X).

Quant au jet, cela provient de la matière ne pouvant être avalée par le trou noir (la surface du trou noir a une taille finie, d'où une certaine limite dans la quantité de matière pouvant être absorbée par unité de temps).

C'est pourquoi régulièrement de la matière est éjectée (pas depuis le trou noir, mais dans les environs du disque d'accrétion). Le jet est rapidement absorbé dans le nuage, sauf dans les parties les moins épaisses, ce qui correspond aux directions coïncidant avec l'axe de rotation du disque.

[franckpiton]

Quant au jet, cela provient de la matière ne pouvant être avalée par le trou noir (la surface du trou noir a une taille finie, d'où une certaine limite dans la quantité de matière pouvant être absorbée par unité de temps).

Je sais que habituellement, on a tendance à te considérer comme une source (moi le premier), mais sur ce point j"apprécierais que tu nous en donne. Le peu que je sais sur le sujet des jets relativistes, c'est que ce phénomène est mal compris !

[bongo1981]

Quant au jet, cela provient de la matière ne pouvant être avalée par le trou noir (la surface du trou noir a une taille finie, d'où une certaine limite dans la quantité de matière pouvant être absorbée par unité de temps).

Je sais que habituellement, on a tendance à te considérer comme une source (moi le premier), mais sur ce point j"apprécierais que tu nous en donne. Le peu que je sais sur le sujet des jets relativistes, c'est que ce phénomène est mal compris !

Je n’ai pas de source, étant donné que le phénomène est très loin d’être compris. N’étant pas non plus spécialiste sur le sujet, je ne peux que donner une explication avec les mains (sans donner le mécanisme exact).

Le phénomène est proche de celui qui régule le rythme de déglutition de la matière par le trou noir. En effet, lorsqu’il y a beaucoup de matière avalée, le trou noir émet beaucoup de rayon X, ralentissant la matière tombant sur le trou noir. Dans l’autre sens, lorsque le rythme diminue trop, il y a moins de rayon X, et la matière est moins ralenti (donc le trou noir avale plus vite). C’est un équilibre stable, et c’est ce phénomène qui a été découvert et utilisé pour confiner un plasma pour amorcer une bombe thermonucléaire (Ulam Teller).
Les champs magnétiques doivent sans doute jouer un rôle important.

Pour plus d’information, l’ouvrage de Kip Thorne est pas mal, Trous noirs et distorsions du temps.

[franckpiton]

je ne peux que donner une explication avec les mains

J'aime l’expression !

Pour plus d’information, l’ouvrage de Kip Thorne est pas mal, Trous noirs et distorsions du temps.

Tu l'aime celui là ! C'est vrai qu'il est bien, mais je ne croit pas qu'il parle beaucoup des jet en question.

[bongo1981]

Pas explicitement
Cet ouvrage est une mine d'information, tout en restant sans équation

[Kyn]

Merci pour ces explications.

Tu parles du fait que le disque d'accrétion est moins épais au niveau de l'axe de rotation. Je le traduis par une épaisseur moindre à la perpendiculaire - et au centre - du disque. Un peu comme un "donut" (mauvaise représentation surement pour les bords extérieurs). D'ailleurs, y a-t-il une "épaisseur" à ce disque d'accrétion ?

Par contre, pour la vitesse d'absorption de la matière par le trou, au bout d'un certain temps T, le système doit rentrer dans un mode de fonctionnement "régulé" où il absorbe une quantité constante de matière, et la matière doit s'organiser avec une densité qui s'homogénéise, non ? ou pas...

Autre question, la matière au sein du disque d'accrétion a-t-elle déjà passé le point de non retour au-delà duquel elle ne peut revenir ? J'en doute car sinon, on ne pourrait la "voir"...

Hmm, complexe tout ça... Cela me rassure que le phénomène soit mal compris quelque part

[bongo1981]

Merci pour ces explications.

Tu parles du fait que le disque d'accrétion est moins épais au niveau de l'axe de rotation. Je le traduis par une épaisseur moindre à la perpendiculaire - et au centre - du disque. Un peu comme un "donut" (mauvaise représentation surement pour les bords extérieurs). D'ailleurs, y a-t-il une "épaisseur" à ce disque d'accrétion ?

Prends un disque, ou plutôt un cylindre très applati. Quand tu quittes le cylindre depuis le centre, tu as juste la hauteur à parcourir, alors que si tu veux quitter le cylindre par les parois latérales, il faudra parcourir un rayon (ce qui est beaucoup plus important).

Par contre, pour la vitesse d'absorption de la matière par le trou, au bout d'un certain temps T, le système doit rentrer dans un mode de fonctionnement "régulé" où il absorbe une quantité constante de matière, et la matière doit s'organiser avec une densité qui s'homogénéise, non ? ou pas...

Pas forcément, tout dépend des phénomènes en jeu. Par exemple le pendule oscillant, continue à osciller, ça ne se régule pas.
Ici les phénomènes mettent en jeu de la MHD et de la gravitation. Ca sent les écoulements turbulents et chaotiques.

Autre question, la matière au sein du disque d'accrétion a-t-elle déjà passé le point de non retour au-delà duquel elle ne peut revenir ? J'en doute car sinon, on ne pourrait la "voir"...

Il y a une plusieurs nuances...
- lorsque de la matière dépasse le rayon de Schwarzschild, c'est le point de non retour, rien ne peut en réchapper, même pas la lumière
- si de la lumière passe 1.5 fois le rayon de Schwarschild, aucun photon ne peut rester en orbite autour du trou noir
- si de la matière passe 3 fois le rayon de Schwarschild plus aucune orbite circulaire n'est stable (mais il y a des orbites elliptiques admissibles).

Hmm, complexe tout ça... Cela me rassure que le phénomène soit mal compris quelque part

[domeckert]

Bonjour, je suis chercheur et spécialiste de l'émission de rayonnement X des objets astrophysiques.

Pour être précis, on observe 2 types de trous noirs très différents: les trous noirs "stellaires" et les trous noirs "supermassifs". Les trous noirs stellaires sont le résultat de la mort d'étoiles très massives (au moins 40 fois plus massives que le Soleil). Sachant qu'à la mort d'une étoile la majorité de sa masse est éjectée dans l'espace (phénomène de supernova), ces trous noirs font une dizaine de masses solaires, pour un diamètre de quelques kilomètres. Les trous noirs supermassifs se trouvent au centre des galaxies. Par accrétion d'une grande quantité de matière, ils grossissent jusqu'à des masses de quelques millions jusqu'à plusieurs milliards de fois la masse du Soleil (le trou noir de notre Voie lactée fait 3 millions de masses solaires).

Dans les 2 cas, comme il a été expliqué ci-dessus, on n'observe ces objets que si une quantité importante de matière est en train d'accréter sur l'astre compact. Un trou noir isolé, par définition, ne peut pas émettre de lumière (à l'exception peut-être de l'effet Hawking, mais il s'agit là de spéculation). Dans le cas d'un trou noir stellaire, le trou noir se trouve parfois dans un système binaire très rapproché avec une étoile standard. Dans ce cas, une partie de la masse de l'étoile peut être transférée vers le trou noir, ce qui crée un disque d'accrétion chauffé à des millions de degrés qui émet dans les rayons X. C'est ce qu'on appelle une "binaire X".

Dans le cas des trous noirs supermassifs, la situation est plus complexe. Un dixième environ des galaxies ont en leur central un noyau "actif", c'est-à-dire qu'il est en phase d'accrétion importante de matière. Dans ce cas, l'émission X ne peut pas être associée à un disque d'accrétion, étant-donné que la température attendue de ce disque ne serait que de quelques milliers de degrés, ce qui correspond à une émission de lumière visible. L'émission X de ces objets est mal comprise, mais probablement attribuée à un plasma (appelé "couronne") se situant entre le trou noir et le disque, et chauffé à quelques 100 millions de degrés.

Concernant les jets, leur existence n'est pas universelle, puisque seulement 10% des noyaux actifs en possèdent. Dans ce cas, des particules sont accélérées jusqu'à des vitesses relativistes et éjectées le long de l'axe du jet, on parle alors de "radio-galaxie". La formation de ces jets est probablement liée à la rotation du trou noir central et au champ magnétique présent dans le disque d'accrétion. Les simulations numériques les plus sophistiquées montrent qu'un jet peut se former dans de telles conditions, mais le processus exact est encore mal compris.

J'espère avoir répondu à vos questions.

[bongo1981]

Merci domeckert pour ces précisions.
Donc tu confirmes bien que la différence entre les rayonnements de ces trous noirs provient bien des forces de marée, provoquant des frottements intense entre les différentes couches du disque d'accrétion, d'où l'atteinte de très hautes températures et donc d'émission de rayonnement dans le domaine X.

Ceci explique pourquoi le rayonnement X est bien une des caractéristiques des trous noirs stellaires ?

[domeckert]

Merci domeckert pour ces précisions.
Donc tu confirmes bien que la différence entre les rayonnements de ces trous noirs provient bien des forces de marée, provoquant des frottements intense entre les différentes couches du disque d'accrétion, d'où l'atteinte de très hautes températures et donc d'émission de rayonnement dans le domaine X.

Ce sont bien les frottements qui réchauffent le gaz de ces disques d'accrétion en transférant une partie de l'énergie gravitationnelle en chaleur, effectivement. La différence principale entre trous noirs stellaires et supermassifs provient de la distance de la dernière orbite stable: pour les trous noirs stellaires, cette distance est faible, ce qui fait que les régions internes du disque d'accrétion peuvent être chauffées jusqu'à des dizaines de millions de degrés, ce qui correspond à une émission de rayonnement X. Pour les trous noirs supermassifs, par contre, le disque d'accrétion est tronqué beaucoup plus loin de l'objet central, ce qui fait que les températures atteintes ne sont que de quelques milliers de degrés, ce qui correspond à une émission de lumière visible.

Ceci explique pourquoi le rayonnement X est bien une des caractéristiques des trous noirs stellaires ?

Pas tout-à-fait. Les trous noirs supermassifs ont également une émission importante de rayonnement X, mais son origine est différente. Dans les noyaux actifs de galaxies (trous noirs supermassifs), l'émission X provient d'un plasma ionisé dans le coeur du système, parfois avec également une composante de rayonnement non-thermique, c'est-à-dire de particules accélérées à des vitesses relativistes. Dans le cas des trous noirs stellaires, on observe en plus le disque d'accrétion.

[bongo1981]

Pas tout-à-fait. Les trous noirs supermassifs ont également une émission importante de rayonnement X, mais son origine est différente. Dans les noyaux actifs de galaxies (trous noirs supermassifs), l'émission X provient d'un plasma ionisé dans le coeur du système, parfois avec également une composante de rayonnement non-thermique, c'est-à-dire de particules accélérées à des vitesses relativistes. Dans le cas des trous noirs stellaires, on observe en plus le disque d'accrétion.

Si je te suis bien, ça c'est le rayonnement synchroton.

En tout cas merci pour ces compléments

[passant]

ce qui fait que les températures atteintes ne sont que de quelques milliers de degrés, ce qui correspond à une émission de lumière visible.

Une question au passage.

La lumière serait fonction de la température... Par exemple, une étoile dont la température augmenterait énormément, cette étoile n'émettrait plus de lumière ?

[Victor]

La réponse à ta question est plus compliquée que oui ou non, il faut faire la courbe du corps noir correspondant à des très hautes températures, pour celle du soleil c'est 6000K ce qui correspond à un maximum dans les jaunes et c'est notre œil qui est adapté. Maintenant si tu montes en température le maximum n'est plus dans le visible mais dans les UV de plus en plus dur pour arriver aux rayon x mais il reste encore une partie dans le visible ça donne des étoiles bleues qui un un maximum dans les UV

[bongo1981]

Pour compléter la réponse de Victor, qui est très bien.

Il se trouve qu'un photon est émis au coeur du soleil (réactions nucléaires). Ce photon va subir tout un tas de conllisions, se faire absorber, puis est réémis etc... un nombre incalculable de fois, de telle sorte que ce photon se trouve en équilibre thermodynamique avec son environnement, et ne dépend pas de la nature du corps, mais seulement de la température (il n'a pas trop d'énergie, ni pas assez, il est à la température de son environnement). Les physiciens ont étudié le rayonnement des corps en équilibre avec leur environnement, dit "rayonnement du corps noir" (parce qu'aux températures courantes, les corps émettent principalement dans l'infra rouge et sont dans la partie invisible du spectre électromagnétique).



Comme tu peux le voir sur ces courbes (la courbe noire est fausse), le spectre est donné en fonction de la température.

Il se trouve que la surface du soleil est à 5 800 Kelvin (soit environ 6000 °C). Le rayonnement d'un tel corps est principalement dans le jaune couleur chaude.

On retrouve ce genre de chose dans la culture populaire, "chauffer le fer au rouge", "chauffer le fer au blanc", plus on augmente la température, et plus la couleur principale émise va se déplacer dans les longueurs d'onde courte (donc le bleu).

Et puis les ampoules économiques sont actuellement à la mode, et pour caractériser le genre de rayonnement émis, on parle de spectre, on parle de IRC (indice de rendu des couleurs), et les vendeurs parlent souvent d'équivalent en température (d'un corps noir chauffé à cette température, implicitement).

Et donc au final pour répondre :
- si le corps est trop froid (moins de 3000 K), il émet dans l'infrarouge, donc invisible pour nous
- si le corps est très très chaud, il émet principalement dans les UV X etc... mais la composante visible pour nous se situerait dans le bleu

[domeckert]

Si je te suis bien, ça c'est le rayonnement synchrotron.

Oui, mais pas uniquement. On observe aussi parfois du rayonnement de type inverse-Compton, c'est-à-dire que ce sont des photons d'une énergie plus basse qui entrent en collision avec des électrons d'une énergie plus élevée. Dans un tel processus, l'énergie du photon se trouve augmentée, ce qui donne une composante de rayonnement à haute énergie (rayonnement X ou gamma). Suivant les cas, l'émission non-thermique peut être soit de type synchrotron soit de type inverse-Compton.

La lumière serait fonction de la température... Par exemple, une étoile dont la température augmenterait énormément, cette étoile n'émettrait plus de lumière ?

Pour compléter ce qui a (justement) été dit avant, dans le cas d'un rayonnement thermique (corps noir), la température du corps définit la fréquence où ce rayonnement sera émis. Le Soleil (et la plupart des étoiles) ont une température de surface de quelques milliers de degrés (6'000 K pour le Soleil), ce qui veut dire qu'elles émettent un maximum de lumière dans les longueurs d'onde correspondant à la lumière visible, que l'on peut donc percevoir avec nos yeux.

Les corps ayant une température différente émettent peu (voire pas du tout) de lumière dans la bande visible, ce qui ne veut pas dire qu'ils n'émettent pas de lumière. Dans notre Galaxie, il existe une quantité importante de poussières froides (quelques centaines de degrés K), qui émettent de la lumière dans l'infrarouge. Les nuages moléculaires ont une température plus basse (quelques dizaines de K), on les observe donc dans le domaine des ondes millimétriques. A l'inverse, les étoiles massives peuvent avoir des températures de quelque 30'000 K, ce qui correspond à un pic d'émission dans l'ultra-violet. Et certains objets, comme les astres compacts (étoiles à neutrons, trous noirs et naines blanches), les trous noirs supermassifs ou les amas de galaxies, peuvent avoir des températures encore bien supérieures, au-delà du million de degrés. On les observe alors dans les rayons X.