Le ciel entier est rempli d'une lueur diffuse et de haute énergie: l'arrière-plan des rayons X cosmiques. Au cours des dernières années, les astronomes ont pu montrer que ce rayonnement peut être presque entièrement associé à des objets individuels. De même, Galileo Galilei au début du XVIIe siècle a résolu la lumière de la Voie lactée en étoiles individuelles. Le fond de rayons X provient de centaines de millions de trous noirs supermassifs, qui se nourrissent de matière dans les centres des systèmes galactiques éloignés. Parce que les trous noirs accumulent de la masse, nous les observons dans le fond de rayons X pendant leur phase de croissance. Dans l’univers d’aujourd’hui, d’énormes trous noirs se trouvent au centre de pratiquement toutes les galaxies voisines.
Lorsque la matière se précipite dans l'abîme d'un trou noir, elle accélère autour du maelström cosmique presque avec la vitesse de la lumière et s'échauffe si fortement qu'elle émet son «dernier cri d'aide» sous forme de rayonnement à haute énergie, avant qu'elle disparaît pour toujours. Par conséquent, les trous noirs putativement invisibles sont parmi les objets les plus lumineux de l'univers, s'ils sont bien nourris au centre des galaxies dites actives. Les éléments chimiques chimiques de la matière émettent des rayons X d'une longueur d'onde caractéristique et peuvent donc être identifiés grâce à leur empreinte spectrale. Les atomes de l'élément fer sont un outil de diagnostic particulièrement utile, car ce métal est le plus abondant dans le cosmos et rayonne le plus intensément à des températures élevées.
D'une manière similaire aux pièges radar, avec lesquels la police identifie les voitures en excès de vitesse, les vitesses relativistes des atomes de fer encerclant le trou noir peuvent être mesurées en modifiant la longueur d'onde de leur lumière. Cependant, grâce à une combinaison des effets prédits par la théorie spéciale et générale de la relativité d'Einstein, un profil de ligne asymétrique élargi de manière caractéristique, c'est-à-dire une empreinte digitale tachée est attendu dans la lumière des rayons X des trous noirs. La relativité restreinte postule que les horloges en mouvement fonctionnent lentement, et la relativité générale prédit que les horloges fonctionnent lentement au voisinage de grandes masses. Les deux effets entraînent un déplacement de la lumière émise par les atomes de fer vers la partie à plus longue longueur d'onde du spectre électromagnétique. Cependant, si nous observons la matière tourner dans le soi-disant «disque d'accrétion» (Fig. 1) de côté, la lumière des atomes se précipitant vers nous apparaît décalée vers des longueurs d'onde plus courtes et beaucoup plus brillantes que celle qui s'éloigne de nous. Ces effets de la relativité sont d'autant plus forts que la matière se rapproche du trou noir. En raison de l'espace-temps incurvé, ils sont plus résistants dans les trous noirs à rotation rapide. Ces dernières années, des mesures de lignes de fer relativistes ont été possibles dans quelques galaxies proches - pour la première fois en 1995 avec le satellite japonais ASCA.
Maintenant, les chercheurs autour de G? Nther Hasinger de l'Institut Max-Planck pour la physique extraterrestre, conjointement avec le groupe de Xavier Barcons à l'Institut espagnol de F? Sica de Cantabria à Santander et Andy Fabian à l'Institut d'astronomie de Cambridge, Royaume-Uni ont découvert l'empreinte digitale tachée relativiste d'atomes de fer dans la lumière des rayons X moyenne d'environ 100 trous noirs distants du fond de rayons X (Fig. 2). Les astrophysiciens ont utilisé l'observatoire de rayons X XMM-Newton de l'Agence spatiale européenne ESA. Ils ont dirigé l'instrument vers un champ de la constellation de la Grande Ourse pendant plus de 500 heures et ont découvert plusieurs centaines de sources de rayons X faibles.
En raison de l'expansion de l'Univers, les galaxies s'éloignent de nous avec une vitesse qui augmente avec leur distance et donc leurs raies spectrales apparaissent toutes à des longueurs d'onde différentes; les astronomes devaient d'abord corriger la lumière des rayons X de tous les objets dans le cadre de repos de la Voie lactée. Les mesures de distance nécessaires pour plus de 100 objets ont été obtenues avec l'American Keck-Telescope. Après avoir ajouté la lumière de tous les objets, les chercheurs ont été très surpris par le signal étonnamment grand et la forme élargie caractéristique de la ligne de fer.
De la force du signal, ils ont déduit la fraction des atomes de fer dans la matière accrétée. Étonnamment, l'abondance chimique du fer dans la «nutrition» de ces trous noirs relativement jeunes est environ trois fois plus élevée que dans notre système solaire, qui avait été créé beaucoup plus tard. Les centres des galaxies de l'Univers primitif ont donc dû avoir une méthode particulièrement efficace pour produire du fer, peut-être parce que la violente activité de formation d'étoiles «multiplie» les éléments chimiques assez rapidement dans les galaxies actives. La largeur de la ligne indiquait que les atomes de fer devaient rayonner assez près du trou noir, compatible avec les trous noirs qui tournaient rapidement. Cette conclusion est également trouvée indirectement par d'autres groupes, qui ont comparé l'énergie du fond de rayons X avec la masse totale des trous noirs «dormants» dans les galaxies voisines.
Source originale: communiqué de presse de la société Max Planck
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