Etoiles ultra-rapides, trous noirs et matière noire…

trou noir NGC1277 : un trou noir peut être 37 milliards de fois plus gros que le Soleil(Sourcehttp://web-tech.fr/ngc12777-un-trou-noir-peut-etre-37-milliards-de-fois-plus-gros-que-le-soleil/)

 

1 – Traduction française d’un article du magazine américain « Science Daily » intitulé « L’étoile ultra-rapide la plus proche de nous a été découverte : filant à une vitesse de plus de 1,8 millions de km/h, elle prouve la présence d’un trou noir et de matière noire » (http://www.sciencedaily.com/releases/2014/05/140507093030.htm) :

(Source : http://www.techno-science.net/?onglet=news&news=2308)

 

Une équipe dirigée par l’université de l’Utah aux Etats-Unis à découvert l’étoile ultra-rapide la plus proche de nous, la deuxième plus brillante et parmi les 20 plus grosses connues à ce jour.

Selon les astronomes, avec une vitesse de plus de 1,8 millions de km/h, cette étoile nous fournit des indices concernant le trou noir situé au centre de notre Voie Lactée et le mystérieux halo de matière noire entourant notre galaxie.

 

« Cette étoile ultra-rapide nous apprend beaucoup de choses au sujet de notre galaxie, et plus particulièrement sur le halo de matière noire qui l’entoure », indique le professeur Zheng Zheng (Professeur adjoint de physique et d’astronomie à l’université de l’Utah aux Etats-Unis, auteur principal d’une étude publiée récemment dans « Astrophysical Journal Letters » par une équipe d’astronomes américains et chinois).

 Sombrero

(Source : http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2011/01/dark-matter-halos-of-massive-galaxies-and-black-holes-are-they-linked.html)

 

« Nous ne pouvons pas voir ce halo de matière noire, mais seulement l’impact de sa gravité sur cette étoile. Nous pouvons nous faire une idée quant à la trajectoire et à la vitesse de l’étoile qui sont affectées par la gravité provenant de différents endroits de notre galaxie », explique l’astronome.

 

Au cours de la dernière décennie, les astronomes ont découvert une vingtaine d’étoiles de ce type. Ces étoiles ultra-rapides semblent provenir de systèmes binaires (étoiles doubles), qui orbitent ensemble autour d’un centre de gravité commun, et qui ce sont approchés trop près du trou noir supermassif présent au centre de notre galaxie. L’intense gravité de ce trou noir, dont la masse est égale à 4 millions de fois celle de notre Soleil, capture une des ces étoiles quand elle passe près de lui et éjecte la deuxième tel un lance-pierre sur une trajectoire au-delà de notre galaxie.

 

Le professeur Zheng et ses collègues ont découvert cette nouvelle étoile ultra-rapide en conduisant des recherches sur d’autres étoiles avec le téléscope LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope) situé à l’observatoire de Xinglong qui fait partie des Observatoires Astronomiques Nationaux de Chine à environ 180 km au Nord-Est de Pékin.

 

(Source : http://www.lamost.org/~cb/gallery/lamost/index.html)

 

Le LAMOST possède une ouverture d’environ 3,96 m et possède 4000 fibres optiques qui capturent les longueurs d’onde lumineuses d’environ 4000 étoiles en même temps. Le spectre de couleurs d’une étoile donne des informations concernant sa vitesse, sa température, sa luminosité et sa taille.

 080920_lamost_100.JPG

(Source : http://www.lamost.org/lamost/images/gallery/)

 

Le but principal du LAMOST est d’étudier la répartition des étoiles dans la Voie Lactée afin d’en connaître sa structure. Cette nouvelle étoile ultra-rapide, appelée LAMOST-HVS1, s’est faite remarquer car sa vitesse est environ 3 fois supérieure à la vitesse habituelle d’une étoile à travers l’espace (800 000 km/h) : vitesses relatives de 2,3 millions de km/h par rapport à notre système solaire et de 1,8 millions de km/h par rapport à la vitesse du centre de notre galaxie.

 

Bien qu’elle soit l’étoile ultra-rapide la plus proche de nous, cette étoile est située à 400 quadrillions de km de la Terre (= 400 000 000 000 000 000 000 000 000 km).

 

« Si vous regardez un troupeau de vaches et que l’une d’elle démarre à une vitesse de 95 km/h, cela vous donne des informations importantes », explique Ben Bromley (Professeur de physique et d’astronomie à l’université de l’Utah) qui n’a pas participé à l’étude en question.

« Vous ne pouvez pas savoir tout de suite de quoi il s’agit. Mais en ce qui concerne les étoiles ultra-rapides, un de leurs mystères est leur provenance, et le trou noir supermassif situé dans notre galaxie est l’une des explications. »

 

Un groupe d’étoiles ultra-rapides connues, dont fait partie LAMOST-HVS1, est situé au-dessus du disque de notre Voie Lactée, et leur répartition dans le ciel indique qu’elles proviennent du centre de notre galaxie, explique le professeur Zheng.

 

Le diamètre de la partie visible de notre galaxie, qui a une forme de spirale, est d’au moins 100 000 années-lumière (c’est la distance que parcoure la lumière en 100 000 ans à une vitesse de 299 792 458 mètres par seconde), soit 946 quadrillions de kilomètres. Le professeur Zheng nous explique que lorsque l’on rajoute le diamètre du halo de matière noire entourant notre galaxie, on obtient un diamètre total d’environ 1 million d’années-lumière, soit 9460 quadrillions de kilomètres.

 File:Voie-Lactée-localisation.jpg

(Source : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Voie-Lact%C3%A9e-localisation.jpg)

 

Les scientifiques savent que des halos de matière noire entourent les galaxies, car leur gravité affecte le mouvement des étoiles visibles et des nuages de gaz de ces galaxies. Les chercheurs disent qu’environ 5% seulement de l’Univers est constitué de matière visible, 27% est constitué de matière invisible et de matière noire jusqu’ici non identifiée, et 68% serait de l’énergie noire encore plus mystérieuse, responsable d’accélérer l’expansion de l’Univers. En voyageant au travers du halo de matière noire, la vitesse et la trajectoire de cette nouvelle étoile ultra-rapide peuvent révéler des choses sur ce mystérieux halo.

 

Notre système solaire est situé à environ 26 000 années-lumière, soit 246 quadrillions de kilomètres, du centre de notre galaxie, c’est-à-dire à plus de la moitié du chemin qui sépare la limite du disque visible de notre galaxie de son centre.

 systeme-solaire

(Source : http://french-revolution-2.blog.fr/2012/05/14/mille-milliards-de-soleils-13543857/)

 

En comparaison, notre nouvelle étoile ultra-rapide est située à environ 62 000 années-lumière, soit 585 quadrillions de kilomètres, du centre de notre galaxie, au-delà et au-dessus du disque visible de la galaxie. C’est à 42 400 années-lumière de la Terre, soit à environ 400 quadrillions de kilomètres.

 

A cette distance, l’étoile à une magnitude aux alentours de 13, soit une intensité lumineuse environ 630 fois plus faible que les étoiles que l’on peut tout juste distinguer à l’œil nu. Néanmoins, elle est l’étoile ultra-rapide la plus proche, la 2ème plus brillante et parmi les 3 plus massives découvertes jusqu’ici, explique le professeur Zheng.

 

Elle est 9 fois plus massive que notre Soleil, ce qui la rapproche d’une autre étoile ultra-rapide connue sous le nom de HE 0437-5439, découverte en 2005, et toutes 2 sont plus petites que HD 271791 qui a été découverte en 2008 et qui est 11 fois plus massive que notre Soleil. Vue de la Terre, seule HD 271791 est plus brillante que LAMOST-HVS1, explique le professeur Zheng.

 

Cette nouvelle étoile ultra-rapide surclasse également notre Soleil, puisqu’elle est 4 fois plus chaude et environ 3400 fois plus brillante (si on la regarde à la même distance). Mais comparé aux 4,6 milliards d’années de notre Soleil, LAMOST-HVS1 est un bébé né il y a seulement 32 millions d’années, d’après sa vitesse et sa position.

 

Existe-t-il une possibilité que le trou noir supermassif de notre galaxie puisse un jour lancer une étoile ultra-rapide en direction de la Terre ? Pas vraiment, répond l’astronome. Tout d’abord, les astrophysiciens estiment qu’une étoile ultra-rapide est lancée par ce trou noir tous les 100 000 ans environ. Ensuite, les trajectoires possibles des étoiles situées près de ce trou noir ne présentent aucun danger, même si l’une d’entre elles devenait une étoile ultra-rapide à l’avenir.

 

2 – Explication de l’article :

 

Cet article nous parle tout d’abord de la découverte d’une étoile dite « ultra-rapide » appelée LAMOST-HVS1.

Elle a été observée grâce au télescope Chinois LAMOST.

Les auteurs de l’article nous disent que l’étude de cette étoile va permettre d’en savoir plus sur le halo de matière noire qui entoure la Voie Lactée, notre galaxie.

 

Les étoiles ultra-rapides :

 Binary Star 2 Photo

(Source : http://annesastronomynews.com/double-stars-mysterious-connection/binary-star-2-photo/)

 

L’article nous explique que les étoiles ultra-rapides semblent être les « survivantes » de systèmes binaires, ou étoiles doubles.

Au départ, deux étoiles tournent ensemble autour d’un centre de gravité commun, c’est ce que l’on appelle un système binaire.

Ces étoiles (comme tous les objets dans l’espace) ne sont pas immobiles mais avancent à une certaine vitesse.

Quand elles arrivent trop près d’un trou noir, l’une des étoiles est « capturée » par le trou noir tandis que l’autre est éjectée, comme avec un lance-pierre, et sa vitesse est alors beaucoup plus grande qu’elle ne l’était au départ.

C’est d’ailleurs cette vitesse inhabituelle pour une étoile qui fait qu’on la remarque parmi les autres étoiles.

 

Les trous noirs :

 

(Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Trou_noir)

 

Que sont-ils ?

Les scientifiques ne savent pas réellement ce que sont les trous noirs.

Ils sont d’autant plus difficiles à étudier qu’on ne les voit pas.

Mais pourquoi sont-ils invisibles ? Et comment sait-on qu’ils existent s’ils sont invisibles ?

 

Isaac Newton a démontré que dans l’espace, tout les objets (planètes, étoiles, etc…) qui ont une masse exercent une force d’attraction sur les autres objets a proximité que l’on appelle la force de gravitation.

Plus sa masse sera importante, plus un objet aura une force d’attraction importante.

Ainsi, le Soleil est plus massif que la Terre, c’est pourquoi sa force d’attraction est la plus importante et que c’est la Terre qui tourne autour de lui et pas l’inverse.

 

(Source : http://arpc167.epfl.ch/alice/WP_2010/studionoel/?cat=4&paged=2)

 

Si on observe une étoile dans l’espace et que l’on voit que sa trajectoire et sa vitesse changent, cela signifie qu’un autre objet exerce une attraction sur cette étoile. Et même si nous ne pouvons pas voir l’objet en question, nous pouvons en déduire qu’il est là.

 

Pour bien comprendre, prenons l’exemple du vent. Vous ne pouvez pas le voir, mais vous savez qu’il y a du vent car les feuilles des arbres bougent, les drapeaux s’agitent également, etc… C’est l’observation des résultats de son action qui vous indique qu’il y a du vent.

(Source : http://cheznectarine.centerblog.net/rub-le-vent–2.html)

 

Et bien c’est la même chose pour les trous noirs, même si nous ne pouvons pas les observer, les conséquences de leur action sont visibles.

 

Et l’action qu’ils exercent est une attraction sur les objets qui passent près d’eux.

Donc, tout comme le vent, même s’ils sont invisibles des signes nous prouvent qu’ils existent.

 

Mais comment expliquer qu’ils soient invisibles ?

Pour répondre à cette question, il faut répondre à une autre question : pourquoi voyons-nous les étoiles où les planètes ?

Tout simplement grâce à la lumière. Les étoiles, comme notre Soleil, créent elles-mêmes la lumière qu’elles émettent. Tandis que les planètes comme la Terre, ou les astres comme la Lune, n’émettent pas leur propre lumière mais réfléchissent la lumière provenant d’une étoile.

Le Soleil émet sa propre lumière qui va aller vers la Lune par exemple et se réfléchir sur elle. Lorsque cette lumière arrive vers la Terre nous pouvons voir la Lune.

(Sourcehttp://pccollege.toile-libre.org/cinquieme-2/la-lumiere-sources-et-propagation-rectiligne/chapitre-iii-le-systeme-soleil-terre-lune/)

 

Alors pourquoi la lumière des étoiles ne se reflète-t-elle pas sur les trous noirs ?

 

Tout d’abord, nous savons que plus la masse d’un objet est importante, plus il attirera les autres objets.

Ensuite, nous savons aussi que la lumière voyage à une certaine vitesse (environ 300 000 km/s).

En astronomie, la vitesse de libération d’un astre est la vitesse minimale que doit atteindre un autre objet pour se libérer de la force d’attraction de l’astre.

Donc, plus la force d’attraction est importante, plus la vitesse de libération doit être élevée.

En ce qui concerne la lumière qui arrivent sur un trou noir, sa vitesse n’est pas assez grande pour pouvoir se libérer de l’attraction du trou noir, et elle reste donc piégée.

Ceci nous indique que la force d’attraction d’un trou noir doit être extrêmement puissante pour que même la lumière avançant à 300 000 km/s ne puisse s’en échapper.

 

Enfin, la théorie de la relativité nous explique qu’à l’approche de corps massifs, l’espace-temps est modifié.

Plus la masse de l’objet en question est importante, plus l’espace-temps est courbé.

Ceci explique qu’à l’approche d’un astre, la trajectoire de la lumière n’est plus rectiligne mais se courbe.

En ce qui concerne les trous noirs, leur masse est tellement importante que l’espace-temps est complètement replié sur lui-même.

espace-temps-deformations.jpg

(Source : http://sct2gcoteau.e-monsite.com/pages/univers-terre-et-espace/chapitre-6-l-espace.html)

 

Les trous noirs ne sont pas des trous (comme un trou d’évier par exemple) mais des objets tellement massifs qu’ils tordent l’espace-temps de telle sorte qu’on ne peut pas les voir comme s’ils étaient cachés dans les plis d’une couverture.

 

L’espace-temps :

 

Pour faire court, l’espace-temps est une notion qui nous permet de comprendre l’environnement dans lequel nous vivons.

Notre environnement comporte 4 dimensions : 3 dimensions spatiales et une dimension temporelle.

On pourrait croire que ces dimensions et leurs mesures (mètres, minutes) sont toujours les mêmes. C’est vrai à un endroit donné (sur Terre par exemple) mais en ce qui concerne les trous noirs par exemple c’est faux.

C’est-à-dire que le temps et l’espace sur Terre diffèrent de ce qu’ils sont à proximité d’un trou noir. Près d’un trou noir, l’espace est étiré et le temps est ralenti par rapport à ce qu’il peut être sur Terre.

Pour bien comprendre, comparons notre espace avec un bac à sable.

Prenez 2 boules de même taille mais de masses différentes dans vos mains.

Tendez les mains devant vous paumes vers le bas au-dessus du bac à sable.

Lâchez les 2 boules… Qu’observez-vous ?

Si vous faites cette expérience, vous allez observer que la boule la plus lourde va laisser une marque plus profonde dans le sable que la boule qui est plus légère.

La déformation du sable sera donc plus importante avec une boule plus lourde.

Même si le phénomène est différent, c’est la même chose dans l’espace. Plus un objet est massif, plus il déformera l’espace-temps.

 

La matière noire :

 

Grâce à différentes méthodes, les scientifiques ont estimé la masse de notre Univers.

Les résultats ont été surprenants, car la masse totale estimée est largement supérieure à la masse totale de la matière constituant l’Univers.

Cela signifie que le reste de la masse provient d’autre chose que de la matière.

Les résultats sont même plus que surprenant car il semblerait que la masse de la matière (planètes, atomes, etc…) ne représente que 68% d’énergie noire.

Tout comme les trous noirs, cette matière noire et cette énergie noire ne sont pas détectables (jusqu’à présent en tout cas), et leur présence est seulement perceptible grâce au résultat de leur action sur la matière.

Cette matière est supposée être composée d’objets quasiment invisibles comme des trous noirs, naines brunes, etc…

C’est l’étude des galaxies spirales, comme notre Voie Lactée, qui a permis d’émettre la théorie que des halos de matière noire entouraient ces galaxies.

L’étude de l’effet de cette matière noire sur notre étoile ultra-rapide pourrait permettre d’en savoir un peu plus sur ce qui la compose.

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