Effet Lense-Thirring : quand l’espace tourbillonne autour d’un trou noir

L’effet Lense-Thirring, sorte de tourbillon de l’espace autour d’un objet en rotation, avait déjà été observé près de la Terre. Aujourd’hui, des astrophysiciens, utilisant des télescopes spatiaux sensibles aux rayons X, viennent d’en repérer les effets tout près d’un trou noir stellaire. En plus de donner la solution d’une énigme astrophysique concernant les astres compacts, cette observation ouvre de nouvelles perspectives pour découvrir une nouvelle physique.

Quelques années après la publication par Albert Einstein de sa théorie de la relativité générale en 1915, deux physiciens autrichiens, Josef Lense et Hans Thirring, en découvrent une implication curieuse mais logique : la rotation d’un objet génère un effet particulier sur l’espace-temps qui l’environne. En effet, d’après le principe d’équivalence à la base de la théorie d’Einstein, il n’est pas possible de savoir localement si l’on est au repos dans un champ de gravitation ou bien dans un référentiel accéléré, par exemple à l’intérieur d’une fusée.

Localement toujours, on ne devrait pas, d’une certaine façon, distinguer l’accélération que subit un objet sur un disque en rotation et celle générée sur cet objet par un corps en rotation (sans le disque) dans un référentiel au repos autour de ce corps. Tout se passe donc comme si l’espace et ce référentiel étaient entraînés dans un mouvement de rotation, à l’instar de l’effet d’un tourbillon dans l’eau. Il en résulte en particulier qu’un gyroscope en orbite autour de la Terre subira des modifications de la direction de son axe initialement pointé vers une étoile, comme s’il était dans un référentiel en rotation. Connu sous le nom d’effet Lense-Thirring, ce phénomène a finalement été mis en évidence grâce à l’expérience à bord du satellite Gravity Probe B en 2011.

Depuis le début des années 1990, les astrophysiciens suspectaient que cet effet était peut-être la clé d’une énigme, celle de curieuses variations presque périodiques des émissions X de certains trous noirs, découvertes au début des années 1980. Cette hypothèse semble accréditée par une récente publication sur arXiv de chercheurs qui ont utilisé les observatoires X en orbite, les satellites XMM Newton de l’ESA et Nustar de la NASA.

Effet Lense-Thirring

Vue d’artiste du phénomène de précession du disque d’accrétion interne produit par l’effet Lense-Thirring autour du trou noir stellaire H1743−322. (Source : ESA/ATG Medialab)

À l’aide de ces deux instruments, ils ont observé un trou noir stellaire de notre Voie lactée, H1743-322. Il fait partie d’un système binaire situé à environ 28.000 années-lumière du Soleil près du centre de notre Galaxie. Ce trou noir est entouré d’un disque d’accrétion constitué par la matière qu’il arrache à son étoile compagne par sa force de gravité. H1743-322 présente, depuis des années, des variations presque périodiques de ses émissions X, ou QPO (Quasi Periodic Oscillations).

Parmi les hypothèses avancées pour expliquer ces QPO, l’une fait intervenir un effet Lense-Thirring particulièrement fort généré par le trou noir en rotation sur son disque d’accrétion. Sa partie la plus proche de l’horizon des événements se mettrait à effectuer des mouvements de précessions. Il en résulterait ces fluctuations transitoires et presque périodiques des émissions du plasma chaud de cette région, porté à plusieurs millions de degrés, observées sous forme de QPO.

XMM-Newton

XMM-Newton (XMM est l’abréviation de X-ray Multi-Mirror) est un observatoire spatial de l’Esa destiné à l’observation des rayons X. En orbite depuis 1999, il permet l’étude de la formation des étoiles, des amas de galaxies et des processus liés à la présence des trous noirs supermassifs au cœur des galaxies dans le domaine des rayons X à basses énergies. (Source : ESA)

Mais comment en être sûr ? L’astrophysicien Adam Ingram a eu l’idée avec ses collègues de mesurer une raie émise dans le domaine des rayons X par des atomes de fer ionisés présents dans la partie externe du disque. Cette raie est décalée périodiquement vers le rouge et vers le bleu par la rotation des ions autour du trou noir. Mais si la partie interne du disque effectue un mouvement de précession, elle doit s’élever partiellement au-dessus du disque et éclairer périodiquement chacune de ses parties. Cela conduit à des modifications supplémentaires de l’aspect de la raie d’émission des atomes de fer.

Effet Lense-Thrring

Une vue d’artiste du disque d’accrétion autour du trou noir H1743-322. La partie centrale est constituée de plasma et elle effectue un mouvement de précession, ce qui la conduit à illuminer tel un phare les parties externes du disque d’accrétion. Le rayonnement du plasma, dans le domaine des rayons X, provoque une sorte de fluorescence des ions de fer présents dans ces parties externes du disque. (Source : ESA/ATG Medialab)

En utilisant 260.000 secondes de mesures avec XMM-Newton et 70.000 avec Nustar, les astrophysiciens ont mis en évidence des variations en bon accord avec les prédictions du modèle expliquant les QPO par l’effet Lense-Thrring. Celui-ci est 100.000 milliards de fois plus intense que celui observé autour de la Terre.

Il s’agit bien sûr d’un succès en soi mais l’important n’est peut-être pas là. On dispose maintenant en effet d’une fenêtre observationnelle nouvelle permettant de tester les caractéristiques d’un champ de gravitation fort car proche de l’horizon d’un trou noir stellaire. Certaines théories relativistes de la gravitation proposées comme alternatives à celle d’Einstein font des prédictions peut-être testables dans l’environnement d’un trou noir. Les QPO de H1743-322 pourraient donc se révéler un outil précieux pour découvrir une nouvelle physique, notamment en rapport avec l’énergie noire.

Source : Futura-Sciences

Vous pouvez consulter, sur le site d’Archipel des Sciences, les expositions « Initiation à l’astronomie » et « Promenade spatiale au fil des ondes« , ainsi que la page Astronomie/Physique.

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