Comment cygnus x-1, le premier trou noir, a-t-il été découvert?

Une étoile compagnon ayant du matériel aspiré dans un trou noir.

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introduction

Cygnus X-1, objet compagnon de l'étoile super géante bleue HDE 226868, est situé dans la constellation du Cygne à 19 heures 58 minutes 21,9 secondes d'ascension droite et 35 degrés 12 '9 ”de déclinaison. C'est non seulement un trou noir, mais le premier à être découvert. Quel est exactement cet objet, comment a-t-il été découvert et comment savons-nous que c'est un trou noir?

Préalablement

Les trous noirs ont été mentionnés pour la première fois en 1783 lorsque John Michell, dans une lettre à la Royal Society, a parlé d'une étoile dont la gravité était si grande que la lumière ne s'échappait pas de sa surface. En 1796, Laplace les mentionna dans un de ses livres, avec des calculs de dimensions et de propriétés. Tout au long des années qui ont suivi, ils ont été appelés étoiles gelées, étoiles sombres, étoiles effondrées mais le terme trou noir n'a été utilisé qu'en 1967 par John Wheeler de l'Université Columbia à New York (Finkel 100).

Le Uhuru.

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Découverte de Cygnus X-1

Des astronomes du US Naval Research Lab ont découvert le Cygnus X-1 en 1964. Il a fait l'objet de recherches plus poussées dans les années 1970 lorsque le satellite Uhuru X-Ray a été lancé et examiné plus de 200 sources de rayons X dont plus de la moitié dans notre propre Voie lactée. Il a repéré plusieurs objets différents, notamment des nuages de gaz, des naines blanches et des systèmes binaires.Les deux ont noté que l'objet X-1 émettait des rayons X, mais lorsque les gens sont allés l'observer, ils ont découvert qu'il n'était visible sur aucun plan du spectre EM sauf pour X-Rays. En plus de cela, les rayons X clignotaient en intensité toutes les millisecondes. Ils ont regardé vers l'objet le plus proche, HDE 226868, et ont noté qu'il avait une orbite qui indiquerait qu'il faisait partie d'un système binaire. Cependant, aucune étoile compagnon n'était située à proximité. Pour que HDE reste sur son orbite,son étoile compagnon avait besoin d'une masse plus grande qu'une naine blanche ou une étoile à neutrons. Et ce scintillement ne pouvait provenir que d'un petit objet susceptible de subir des changements aussi rapides. Perplexes, les scientifiques se sont tournés vers leurs observations et théories précédentes pour tenter de déterminer ce qu'était cet objet. Ils ont été choqués quand ils ont trouvé leur solution dans une théorie que beaucoup considéraient comme une simple fantaisie mathématique (Shipman 97-8).

Einstein et Schwarzchild

La première mention d'un objet ressemblant à un trou noir remonte à la fin des années 1700 lorsque John Mchill et Pierre-Simon Laplace (indépendants l'un de l'autre) parlent d'étoiles sombres, dont la gravité serait si grande qu'elle empêcherait toute lumière de quitter leur surface.. En 1916, Einstein a publié sa théorie générale de la relativité, et la physique n'a jamais été la même. Il a décrit l'univers comme un continuum espace-temps et que la gravité y provoque des courbes. La même année où la théorie a été publiée, Karl Schwarzschild a mis la théorie d'Einstein à l'épreuve. Il a tenté de trouver les effets gravitationnels sur les étoiles. Plus précisément, il a testé la courbure de l'espace-temps à l'intérieur d'une étoile. Ceci est devenu connu comme une singularité, ou une zone de densité infinie et d'attraction gravitationnelle. Einstein lui-même a estimé que ce n'était qu'une possibilité mathématique, mais rien de plus.Il a fallu plus de 50 ans pour qu'il ne soit pas considéré comme de la science-fiction mais comme un fait scientifique.

Composants d'un trou noir

Les trous noirs se composent de nombreuses parties. D'une part, vous devez imaginer l'espace comme un tissu, avec le trou noir posé dessus. Cela fait plonger, ou plier, l'espace-temps en lui-même. Ce plongeon est similaire à un entonnoir dans un vortex. Le point de ce virage où rien, pas même la lumière, ne peut y échapper s'appelle l'horizon des événements. L'objet à l'origine de cela, le trou noir, est connu sous le nom de singularité. La matière entourant le trou noir forme un disque d'accrétion. Le trou noir lui-même tourne assez rapidement, ce qui amène le matériau qui l'entoure à atteindre des vitesses élevées. Lorsque la matière atteint ces vitesses, elles peuvent devenir des rayons X, expliquant ainsi comment les rayons X proviennent d'un objet qui prend tout et ne donne rien.

Maintenant, la gravité d'un trou noir fait tomber la matière mais les trous noirs ne sont pas nuls, contrairement à la croyance populaire. Mais cette gravité étire l'espace-temps. En fait, plus vous vous rapprochez du trou noir, plus le temps passe lentement. Par conséquent, si l'on pouvait manœuvrer l'environnement autour d'un trou noir, cela pourrait être un type de machine à remonter le temps. De plus, la gravité d'un trou noir ne change pas la façon dont les choses gravitent autour de lui. Si le soleil était condensé dans un trou noir (ce qu'il ne peut pas, mais allez-y pour des raisons d'argumentation), notre orbite ne changerait pas du tout. La gravité n'est pas le gros problème avec les trous noirs, c'est l'horizon des événements qui finit par faire la différence (Finkel 102).

Fait intéressant, les trous noirs font quelque chose rayonnent appelé rayonnement Hawking. Les particules virtuelles se forment par paires près de l'horizon des événements et si l'une d'elles est aspirée, le compagnon s'en va. Grâce à la conservation de l'énergie, ce rayonnement finira par provoquer l'évaporation du trou noir, mais la possibilité d'un pare-feu pourrait entraîner des complications que les scientifiques explorent encore (Ibid).

Concept d'artiste d'une supernova

Radio Nationale Publique

Naissance d'un trou noir

Comment un objet aussi fantastique pourrait-il se former? Les seuls moyens qui peuvent causer cela proviennent d'une supernova, ou d'une explosion très massive à la suite de la mort d'une étoile. La supernova elle-même a de nombreuses origines possibles. L'une de ces possibilités provient d'une étoile super géante qui explose. Cette explosion est le résultat de l'équilibre hydrostatique, où la pression de l'étoile et la force de gravité poussant sur l'étoile s'annulent mutuellement, est déséquilibrée. Dans ce cas, la pression ne peut pas rivaliser avec la gravité de l'objet massif, et toute cette matière est condensée à un point de dégénérescence, où plus aucune compression ne peut se produire, provoquant ainsi une supernova.

Une autre possibilité est lorsque deux étoiles à neutrons se heurtent. Ces étoiles, qui, comme leur nom l'indique, sont constituées de neutrons, sont super denses; 1 cuillerée d'étoile à neutrons pèse 1000 tonnes! Lorsque deux étoiles à neutrons sont en orbite l'une autour de l'autre, elles peuvent tomber sur une orbite de plus en plus étroite jusqu'à ce qu'elles se heurtent à des vitesses élevées.

Façons de détecter les trous noirs

Maintenant, l'observateur attentif remarquera que si rien ne peut échapper à l'attraction gravitationnelle d'un trou noir, comment pouvons-nous prouver réellement leur existence devient difficile. Les rayons X, comme mentionné précédemment, sont un mode de détection, mais il en existe d'autres. L'observation du mouvement d'une étoile, telle que HDE 226868, peut donner des indices sur un objet de gravité invisible. De plus, lorsque les trous noirs aspirent de la matière, les champs magnétiques peuvent provoquer un jet de matière à la vitesse de la lumière, comme un pulsar. Cependant, contrairement aux pulsars, ces jets sont très rapides et sporadiques, non périodiques.

Cygnus X-1

Maintenant que la nature du trou noir est comprise, Cygnus X-1 sera plus facile à comprendre. Lui et son compagnon gravitent tous les 5,6 jours. Cygnus est à 6 070 années-lumière de nous selon une mesure de trig par l'équipe Very Long Baseline Array dirigée par Mark Reid. Il s'agit également d'environ 14,8 masses solaires selon une étude de Jerome A. Orosz (de l'Université d'État de San Diego) après avoir examiné plus de 20 ans de rayons X et de lumière visible. Enfin, il a également un diamètre d'environ 20 à 40 miles et tourne à une vitesse de 800 Hz comme le rapporte Lyun Gou (de Harvard) après avoir pris les mesures précédentes de l'objet et travaillé les mathématiques dans la physique. Tous ces faits correspondent à ce que serait un trou noir s'il était situé à proximité du HDE 226868. Sur la base de la vitesse de déplacement de X-1 dans l'espace,il n'a pas été généré par une supernova, sinon il se déplacerait à une vitesse plus rapide. Cygnus siphonne le matériau de son compagnon, le forçant à prendre la forme d'un œuf avec une extrémité qui s'enfonce dans le trou noir. Le matériel a été vu entrer dans Cygnus mais finalement il change de couleur de manière significative puis disparaît dans la singularité.

Mystères persistants

Les trous noirs continuent de mystifier les scientifiques. Que se passe-t-il exactement au point de la singularité? Les trous noirs ont-ils une fin, et si oui, la matière qu'il absorbe en sort-elle (c'est ce qu'on appelle un trou blanc), ou n'y a-t-il pas vraiment de fin à un trou noir? Quel sera leur rôle dans un univers en expansion accélérée? Au fur et à mesure que la physique aborde ces mystères, il est probable que les trous noirs deviendront encore plus mystérieux à mesure que nous les approfondirons.

Ouvrages cités

«Trous noirs et quasars.» Curieux de l'astronomie? 10 mai 2008. Web.

«Fiche d'information sur Cygnus X-1.» Encyclopédie du trou noir. 10 mai 2008. Web.

Finkel, Michael. "Star-Eater." National Geographic, mars 2014: 100, 102. Imprimé.

Kruesi, Liz. "Comment nous savons que les trous noirs existent." Astronomy Avril 2012: 24, 26. Imprimé.

---. "Les chercheurs apprennent des détails sur le trou noir de Cygnus X-1." Astronomy Avril 2012: 17. Imprimé.

Shipman, Harry L. Black Holes, Quasars et l'Univers. Boston: Houghton Mifflin, 1980. Imprimé. 97-8.