Vérifier la rotation d’un trou noir supermassif – La théorie de la relativité générale d’Einstein brille

Galaxie M87 Le trou noir Il montre un jet oscillant, confirmant sa rotation, comme le conclut une étude de deux décennies qui s’aligne sur les prédictions de la théorie générale de la relativité d’Einstein.

La galaxie radio M87, située à 55 millions d’années-lumière de la Terre et contenant un trou noir 6,5 milliards de fois plus grand que le Soleil, montre un flux oscillant qui oscille de haut en bas avec une amplitude d’environ 10 degrés, confirmant l’existence du trou noir. trou. enveloppements.

L’étude, dirigée par le chercheur chinois Yuzhou Cui, a été publiée dans nature Le 27 septembre, elle a été réalisée par une équipe internationale utilisant un réseau mondial de radiotélescopes.

Grâce à une analyse approfondie des données du télescope de 2000 à 2022, l’équipe de recherche a révélé un cycle récurrent de 11 ans dans la précession de la base du jet, comme le prédit la théorie de la relativité générale d’Einstein. L’étude relie la dynamique des flux au trou noir supermassif central, fournissant la preuve que le trou noir de M87 est en rotation.

Phénomènes de trous noirs supermassifs

Les trous noirs supermassifs au centre des galaxies actives – les corps célestes les plus instables de notre univers – peuvent accumuler d’énormes quantités de matière en raison de leur extraordinaire force gravitationnelle et de leur force gravitationnelle. plasma Les flux sortants, appelés jets, approchent la vitesse de la lumière et s’étendent sur des milliers d’années-lumière.

Le mécanisme de transfert d’énergie entre les trous noirs supermassifs et leurs disques d’accrétion et jets relativistes laisse perplexes les physiciens et les astronomes depuis plus d’un siècle. La théorie dominante suggère que l’énergie pourrait être extraite d’un trou noir en rotation, permettant ainsi à une partie de la matière entourant le trou noir supermassif d’être éjectée avec une énergie significative. Cependant, la rotation des trous noirs supermassifs, facteur crucial dans ce processus et paramètre le plus important autre que la masse du trou noir, n’a pas été directement observée.

Panneau supérieur : structure du jet M87 à 43 GHz basée sur des données d’empilement semestrielles observées de 2013 à 2018. Les flèches blanches indiquent l’angle de position du jet dans chaque sous-parcelle. Panneau inférieur : résultats les mieux ajustés basés sur l’image empilée annuellement de 2000 à 2022. Les points verts et bleus ont été obtenus à partir d’observations à 22 GHz et 43 GHz, respectivement. La ligne rouge représente la meilleure adéquation selon le modèle d’initiative. Crédit : Yuzhou Cui et al., 2023

Focus sur M87

Dans cette étude, l’équipe de recherche s’est concentrée sur M87, où le premier jet astrophysique d’observation a été observé en 1918. Grâce à sa proximité, les régions de formation de jets proches du trou noir peuvent être résolues en détail à l’aide de l’interférométrie à très longue base (VLBI). Il est également représenté par l’imagerie de l’ombre du trou noir moderne à l’aide du télescope Event Horizon (EHT). En analysant les données VLBI de M87 acquises au cours des 23 dernières années, l’équipe a détecté des jets précurseurs périodiques à sa base, fournissant ainsi un aperçu de l’état du trou noir central.

Dynamique et relativité des trous noirs

Au cœur de cette découverte se trouve la question cruciale : quelle force dans l’univers pourrait changer la direction d’un jet aussi puissant ? La réponse pourrait être cachée dans le comportement du disque d’accrétion, une formation associée au trou noir supermassif central.

Alors que le matériau qui tombe tourne autour du trou noir en raison de son moment cinétique, il forme une structure en forme de disque avant de s’enrouler progressivement vers l’intérieur jusqu’à ce qu’il soit fatalement entraîné dans le trou noir. Cependant, si un trou noir tourne, il exerce une influence significative sur l’espace-temps qui l’entoure, provoquant l’attraction des objets proches le long de son axe de rotation, un phénomène connu sous le nom de « traînée de cadre », prédit par la théorie de la relativité générale d’Einstein. .

L’analyse complète de l’équipe de recherche suggère que l’axe de rotation du disque d’accrétion s’écarte de l’axe de rotation du trou noir, conduisant à un pré-jet. La détection de ce mouvement fournit une preuve sans ambiguïté que le trou noir supermassif de M87 est effectivement en rotation, améliorant ainsi notre compréhension de la nature des trous noirs supermassifs.

« Nous sommes satisfaits de ce résultat important », a déclaré Yuzhou Cui, chercheur postdoctoral au laboratoire du Zhejiang, un institut de recherche à Hangzhou, et auteur principal de l’étude. « Étant donné que le désalignement entre le trou noir et le disque est relativement faible et que la période de précession est d’environ 11 ans, une collecte de données à haute résolution permettant de suivre la structure de M87 sur deux décennies et une analyse complète sont nécessaires pour obtenir cette avancée. »

Le Dr Kazuhiro Hada de l’Observatoire astronomique national du Japon a ajouté : « Après avoir réussi à imager le trou noir de cette galaxie à l’aide de l’EHT, la question de savoir si ce trou noir tourne ou non est devenue une préoccupation majeure parmi les scientifiques. » « Maintenant, l’anticipation s’est transformée en certitude. Ce monstrueux trou noir est déjà en train de tourner. »

Contributions futures et implications

Ce travail a utilisé un total de 170 époques d’observations acquises par le réseau VLBI d’Asie de l’Est (EAVN), le réseau de lignes de base très longues (VLBA), le réseau commun de KVN et VERA (KaVA) et l’Asie de l’Est mondiale jusqu’en Italie. (MANGER) réseau. Au total, plus de 20 télescopes du monde entier ont contribué à cette étude.

Les radiotélescopes chinois ont également contribué à ce projet, notamment le radiotélescope chinois Tianma de 65 mètres avec son immense parabole et sa haute sensibilité aux longueurs d’onde millimétriques. De plus, un radiotélescope de 26 mètres au Xinjiang améliore la résolution angulaire des observations EAVN. Des données de haute qualité avec une sensibilité élevée et une résolution angulaire élevée sont essentielles pour obtenir cet objectif.

« Le radiotélescope Shigatse de 40 mètres de l’Observatoire astronomique de Shanghai améliorera la capacité d’imagerie millimétrique de l’EAVN. En particulier, le plateau tibétain, où se trouve le télescope, possède l’une des meilleures conditions de site pour les observations de longueurs d’onde (submillimétriques). » a déclaré le professeur Zhiqiang Chen, directeur de l’Observatoire astronomique de Shanghai de l’Académie chinoise des sciences : « Cela répond à nos attentes en matière de renforcement des installations nationales d’observation astronomique.

Si cette étude met en lumière le monde mystérieux des trous noirs supermassifs, elle présente également d’énormes défis. La structure du disque d’accrétion et la rotation exacte du trou noir supermassif M87 sont encore largement incertaines. Ce travail prédit également qu’il y aura davantage de sources avec cette configuration, ce qui posera un défi à découvrir pour les scientifiques.

Référence : « La buse à jet se connectant à un trou noir rotatif dans M87 » par Yucho Kuei, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, Motoki Kino, Weikang Lin, Yusuke Mizuno, Hyunwook Ru, Markei Honma, Kono Yi, Jintao Yu, Jongho Park, Wu Jiang, Zhiqiang Chen, Evgenia Kravchenko, Juan Carlos Algaba, Xiaoping Cheng, Eli Zhou, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Taehyun Jung, Ru Sin Lu, Kotaro Ninuma, Jungwan Oh, Ken Ohsuga, Satoko Sawada Satoh, Bong Won Son, Hiroyuki R . Takahashi, Meeko Takamura, Fumi Tazaki, Sasha Tripp, Kiyoaki Wajima, Kazunori Akiyama, Tao An, Keiichi Asada, Salvatore Botaccio, Do Young-byun, Lang Kui, Yoshiaki Hagiwara, Tomoya Hirota, Jeffrey Hodgson, Noriyuki Kawaguchi, Jae-Young Kim, Sang Song Lee, Ji-Won Lee, Jeong-Ee Lee, Giuseppe Maccaferri, Andrea Melis, Alexey Melnikov, Carlo Migoni, Si-Jin Oh, Koichiro Sugiyama, Xuezheng Wang, Yingkang Zhang, Zhong Chen, Jo-Yun Hwang, Dong-Kyu Jung, Heo-Ryung Kim, Jeong Suk Kim, Hideyuki Kobayashi, Bin Li, Guangwei Li, Xiaofei Li, Xiong Liu, Qinghui Liu, Xiang Liu, Chung Sik Oh, Tomoaki Aoyama, Duke Jiu Ruo, Jinqing Wang, Na Wang, Xiqiang Wang, Bo Xia, Hao Yan, Jae-hwan Yum, Yoshinori Yonekura, Jianping Yuan, Hua Zhang, Rongping Zhao, Yi Zhong, 27 septembre 2023, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-023-06479-6