Astronomie

Qu'est-ce qui se trouve au centre d'une étoile à neutrons, le cas échéant ?

Qu'est-ce qui se trouve au centre d'une étoile à neutrons, le cas échéant ?


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Que nous dit la théorie actuelle sur ce qui se passe au cœur d'une étoile à neutrons, je m'attends à un trou noir j'espère ne pas être déçu !


Certainement pas un trou noir ! Ce ne serait pas du tout une situation stable.

Le contenu du cœur d'une étoile à neutrons fait l'objet de nombreuses spéculations. Les possibilités se répartissent en plusieurs catégories. (i) Une équation d'état des neutrons de plus en plus dure, de sorte que les neutrons conservent leur identité lorsqu'ils sont serrés plus près, mais une force nucléaire à plusieurs corps de plus en plus répulsive fournit un support. (ii) Degrés de liberté hadroniques supplémentaires, tels que les neutrons (et les protons) se transforment en d'autres hadrons lourds tels que les particules lambda ou sigma. (iii) Une sorte de plasma de quarks. (iv) Condensations de bosons impliquant les neutrons se désintégrant en pions ou kaons avec une quantité de mouvement nulle.

Il existe un certain nombre de diagnostics de ces possibilités : principalement, la masse maximale possible d'une étoile à neutrons devrait passer d'environ 3 masses solaires pour (i) à environ 1,5 masse solaire pour (iv). Des mesures sûres d'une étoile à neutrons de masse solaire de 2 sembleraient exclure (iv), mais même cela ne semble pas complètement d'accord. Un autre diagnostic est la vitesse à laquelle les étoiles à neutrons peuvent refroidir. La présence de matière de quarks ou de condensations de bosons devrait conduire à un refroidissement beaucoup plus rapide par émission de neutrinos. Encore une fois, rien de concluant n'a encore émergé.


Département de physique et d'astronomie Collège des sciences

Nicolas Dimakis
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Un voyage vers le centre

Faisons un voyage au cœur mystérieux de notre Galaxie et voyons ce qu'il y a là-bas. La figure 1 est une image radio d'une région d'environ 1500 années-lumière de diamètre, centrée sur Sagittarius A, une source radio lumineuse qui contient le plus petit Sagittarius A * . Une grande partie de l'émission radio provient de gaz chaud chauffé soit par des amas d'étoiles chaudes (les étoiles elles-mêmes ne produisent pas d'émission radio et ne peuvent pas être vues sur l'image) ou par des ondes de souffle de supernova. La plupart des cercles creux visibles sur l'image radio sont des restes de supernova. L'autre source principale d'émission radio provient des électrons se déplaçant à grande vitesse dans les régions à forts champs magnétiques. Les arcs fins brillants et les "fils" sur la figure nous montrent où ce type d'émission est produit.

Figure 1. Image radio de la région du centre galactique : Cette carte radio du centre de la Galaxie (à une longueur d'onde de 90 centimètres) a été construite à partir de données obtenues avec le Very Large Array (VLA) de radiotélescopes à Socorro, Nouveau-Mexique. Les régions plus lumineuses sont plus intenses en ondes radio. Le centre galactique est à l'intérieur de la région étiquetée Sagittaire A. Sagittaire B1 et B2 sont des régions de formation d'étoiles actives. De nombreux filaments ou caractéristiques filiformes sont visibles, ainsi qu'un certain nombre de coquilles (étiquetées SNR), qui sont des restes de supernova. La barre d'échelle en bas à gauche mesure environ 240 années-lumière. Notez que les radioastronomes donnent également des noms d'animaux fantaisistes à certaines des structures, tout comme les nébuleuses de lumière visible reçoivent parfois des noms d'animaux auxquels elles ressemblent. (crédit : modification du travail par N. E. Kassim, D. S. Briggs, T. J. W. Lazio, T. N. LaRosa et J. Imamura (NRL/RSD))

Concentrons-nous maintenant sur la région centrale en utilisant une forme plus énergétique de rayonnement électromagnétique. La figure 2 montre l'émission de rayons X d'une région plus petite de 400 années-lumière de large et 900 années-lumière de diamètre centrée dans le Sagittaire A * . On voit sur cette image des centaines de naines blanches chaudes, d'étoiles à neutrons et de trous noirs stellaires avec des disques d'accrétion brillants de rayons X. La brume diffuse sur l'image est une émission de gaz qui se trouve parmi les étoiles et est à une température de 10 millions de K.

Figure 2. Centre galactique en rayons X : Cette mosaïque de couleurs artificielles de 30 images prises avec le satellite à rayons X Chandra montre une région de 400 × 900 années-lumière d'étendue et centrée sur le Sagittaire A*, la source blanche brillante au centre de l'image. Les sources ponctuelles émettrices de rayons X sont des naines blanches, des étoiles à neutrons et des trous noirs stellaires. La brume diffuse est une émission de gaz à une température de 10 millions de K. Ce gaz chaud s'écoule du centre vers le reste de la Galaxie. Les couleurs indiquent les bandes d'énergie des rayons X : rouge (faible énergie), vert (énergie moyenne) et bleu (énergie élevée). (crédit : modification des travaux par NASA/CXC/UMass/D. Wang et al.)

En approchant du centre de la Galaxie, nous trouvons le trou noir supermassif Sagittarius A * . Il y a aussi des milliers d'étoiles dans un parsec de Sagittaire A*. La plupart d'entre elles sont de vieilles étoiles rougeâtres de la séquence principale. Mais il y a aussi une centaine d'étoiles OB chaudes qui doivent s'être formées au cours des derniers millions d'années. Il n'y a pas encore de bonne explication sur la façon dont des étoiles ont pu se former récemment si près d'un trou noir supermassif. Peut-être se sont-elles formées dans un amas dense d'étoiles qui était à l'origine à une plus grande distance du trou noir et a ensuite migré plus près.

Il n'y a actuellement aucune formation d'étoiles au centre galactique, mais il y a beaucoup de poussière et de gaz moléculaire qui tourne autour du trou noir, ainsi que des flûtes de gaz ionisé qui sont chauffées par les étoiles chaudes. La figure 3 est une carte radio qui montre ces streamers de gaz.

Figure 3. Sagittaire A : Cette image, prise avec le Very Large Array de radiotélescopes, montre l'émission radio d'un gaz chaud et ionisé au centre de la Voie lactée. Les lignes obliques en haut de l'image sont des flûtes de gaz. Sagittaire A* est le point lumineux en bas à droite. (crédit : modification des travaux de Farhad Zadeh et al. (Northwestern), VLA, NRAO)


Une étoile éclatée révèle une nouvelle matière étrange

Le noyau ultradense d'une étoile explosée contient une forme étrange de matière supraconductrice appelée superfluide, suggèrent de nouvelles études.

Deux équipes de chercheurs utilisant l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA ont détecté une baisse rapide de la température de Cassiopée A (Cas A), qui est une étoile à neutrons – le reste laissé lorsqu'une étoile massive termine sa vie dans une explosion de supernova. L'énorme chute de température est une preuve solide de la présence d'un état étrange de la matière au cœur de Cas A, ont déclaré les chercheurs.

"Le refroidissement rapide dans l'étoile à neutrons Cas A&rsquos, vu avec Chandra, est la première preuve directe que les noyaux de ces étoiles à neutrons sont, en fait, constitués de matériau superfluide et supraconducteur", Peter Shternin de l'Institut Ioffe de Saint-Pétersbourg, Russie, a déclaré dans un communiqué. Il est leader d'une des équipes.

Les superfluides constitués de particules chargées sont également des supraconducteurs, qui permettent au courant électrique de circuler sans résistance.

Une étoile à neutrons se refroidit

Cas A est le vestige d'une énorme étoile qui a explosé il y a environ 330 ans. L'étoile à neutrons se trouve à environ 11 000 années-lumière, dans la constellation de Cassiopée.

Les chercheurs des deux nouvelles études ont découvert qu'il s'était refroidi d'environ 4 % sur une période de 10 ans.

"Cette baisse de température, même si elle semble faible, était vraiment dramatique et surprenante à voir", a déclaré Dany Page de l'Université nationale autonome du Mexique, chef de l'autre équipe de recherche. "Cela signifie que quelque chose d'inhabituel se produit dans cette étoile à neutrons."

Les étoiles à neutrons sont parmi les objets connus les plus denses. Une cuillère à café d'étoile à neutrons a une masse de 6 milliards de tonnes. [Les choses les plus étranges de l'espace]

La pression dans le noyau de l'étoile est si immense que la plupart des électrons y fusionnent avec des protons, produisant des neutrons, ont déclaré les chercheurs.

Les physiciens ont développé des modèles détaillés pour prédire comment la matière devrait se comporter à des densités aussi élevées, y compris la possibilité que des superfluides puissent se former.

La superfluidité est un état de la matière sans friction, et les superfluides créés dans les laboratoires ici sur Terre présentent des propriétés remarquables. Il peut monter vers le haut, par exemple, et s'échapper de conteneurs hermétiques, selon les chercheurs.

Superfluides dans le noyau de l'étoile morte

Dans leurs études, les deux groupes de recherche ont trouvé des preuves que le refroidissement rapide de Cas A est dû à la formation d'un superfluide à neutrons dans le cœur de l'étoile à neutrons, et que cela s'est produit au cours des 100 dernières années environ.

Les détails de l'étude de Shternin apparaîtront dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters. La recherche de Page et de son équipe paraîtra dans la revue Physical Review Letters.

La chute des températures de Cas A est conforme à la théorie, qui prédit qu'une étoile à neutrons devrait subir un refroidissement distinct pendant la transition vers l'état superfluide, ont déclaré les chercheurs.

Pendant ce temps, des particules presque sans masse et à interaction faible appelées neutrinos se forment en grand nombre puis s'échappent, emportant de l'énergie avec elles. Le refroidissement devrait se poursuivre pendant encore quelques décennies avant de ralentir, ont déclaré les chercheurs.

Sur Terre, l'apparition de superfluidité dans les matériaux se produit à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu, environ moins 273 degrés Celsius (moins 459,6 degrés Fahrenheit). Mais dans les étoiles à neutrons, cela peut se produire à des températures proches de 1 milliard de degrés F parce que les interactions des particules se produisent via la force nucléaire forte - la force qui lie les quarks pour former des protons et des neutrons, et des protons et des neutrons ensemble pour former des noyaux atomiques.

Jusqu'à présent, il y avait une très grande incertitude dans les estimations de cette température critique. Mais la nouvelle recherche le situe entre 900 millions et 1,8 milliard de degrés F (500 millions à 1 milliard de degrés C), selon les chercheurs.

"Il s'avère que Cas A peut être un cadeau de l'univers parce que nous devrions attraper une très jeune étoile à neutrons juste au bon moment", a déclaré le co-auteur de Page&rsquos, Madappa Prakash, de l'Université de l'Ohio.
"Parfois, un peu de chance peut faire beaucoup de choses en science."

Aider à faire la lumière sur les étoiles à neutrons

Les chercheurs ont déclaré que leurs résultats suggèrent que le reste de la supernova Cas A peut servir de bon banc d'essai pour étudier le comportement de la matière ultradense au niveau atomique.

Ces résultats sont également importants pour comprendre la diversité parmi les étoiles à neutrons, y compris la pulsation, les explosions de magnétar et l'évolution des puissants champs magnétiques des étoiles à neutrons, ont déclaré les chercheurs. Les nouvelles études pourraient également aider les scientifiques à mieux comprendre les petits changements soudains dans les étoiles à neutrons en rotation hautement magnétisées appelées pulsars.

Des études antérieures sur les changements du pulsar, connus sous le nom de pépins, ont mis en évidence la présence de neutrons superfluides dans la croûte d'une étoile à neutrons, où les densités sont plus faibles que dans le cœur.

La nouvelle recherche sur Cas A, cependant, fournit la première preuve directe de neutrons et de protons superfluides dans le cœur d'une étoile à neutrons, ont déclaré les chercheurs.


60 millions d'étoiles et pas un seul extraterrestre détecté

Un strobiologiste du projet Breakthrough Listen a publié les résultats préliminaires d'une enquête SETI, dans laquelle l'équipe a recherché des signaux radio le long d'une ligne de visée qui s'étend vers le centre galactique.

La recherche de signaux radio extraterrestres en est maintenant à sa septième décennie, et nous n'avons encore trouvé aucune trace de vie intelligente. Continuez la recherche que nous devons, cependant, car il n'existe pas de plus grand mystère scientifique non résolu que la question de savoir si nous sommes ou non seuls dans l'univers.

La recherche d'intelligence extraterrestre, ou SETI, est actuellement limitée à la recherche de prétendues technosignatures extraterrestres, comme des signaux optiques et micro-ondes et des preuves de mégastructures. Cela dit, les signaux radio restent la cible SETI la plus populaire, car des émissions radio ciblées pourraient signaler la présence d'une civilisation extraterrestre, que la fuite de ces signaux radio soit délibérée ou accidentelle.

Le projet Breakthrough Listen de 10 millions de dollars - une initiative de 10 ans fondée il y a six ans par le milliardaire israélo-russe Yuri Milner et le regretté physicien Stephen Hawking - continue dans cette tradition, cherchant dans les profondeurs de l'espace des signes de signaux radio produits par des extraterrestres.

Pour sa dernière enquête, l'équipe Breakthrough Listen, basée au SETI Research Center de l'Université de Californie à Berkeley, a utilisé le radiotélescope Green Bank en Virginie-Occidentale et le radiotélescope Parkes du CSIRO en Australie pour recueillir environ 600 heures d'observations radio. Leur dernier effort était unique en ce sens qu'il s'agissait de l'enquête SETI « la plus sensible et la plus ciblée » jamais réalisée sur le centre galactique, comme l'écrivent les scientifiques de SETI dans une étude qui sera publiée dans l'Astronomical Journal arXiv).

La recherche d'extraterrestres le long d'une ligne de mire qui s'étend de la Terre au trou noir supermassif au centre de la Voie lactée présente des avantages et des inconvénients.

L'avantage est que la densité des étoiles augmente avec la distance au centre galactique. En conséquence, cette ligne de mire « offre le plus grand nombre de systèmes potentiellement habitables dans toutes les directions du ciel », selon l'étude. De plus, la proximité relativement étroite de ces étoiles pourrait « accélérer le développement de la communication et des voyages interstellaires », ce qui pourrait contribuer à l'essor de « sociétés spatiales avancées », comme l'écrivent les scientifiques de SETI dans leur article.

L'inconvénient est que les choses deviennent un peu poilues au-delà d'un certain point. Comme le système solaire, la Voie lactée a sa propre zone habitable, au-delà de laquelle la vie ne peut émerger. En effet, la région intérieure de notre galaxie (c'est-à-dire la région en dehors de la zone habitable galactique) est un environnement à fort rayonnement rempli de rayons gamma, de supernovae explosives et de nuages ​​de gaz atteignant des millions de degrés. L'énorme trou noir supermassif au cœur de la galaxie présente un tout autre danger.

Pourtant, les auteurs de la nouvelle étude, dirigée par Vishal Gajjar du Département d'astronomie de Berkeley, ont décidé qu'il serait utile de concentrer une recherche complète près du centre galactique en raison de l'abondance d'étoiles d'ici à là. Comme les scientifiques l'ont noté dans leur étude, "nous avons estimé que nous avons sondé environ 60 millions d'étoiles".

Fait intéressant, l'équipe ne recherchait pas des fuites radio accidentelles, mais plutôt des transitoires radio périodiques provenant de balises hypothétiques (en d'autres termes, des rafales radio répétitives provenant de machines conçues pour attirer notre attention). Le centre galactique, selon les scientifiques, "fournit un emplacement central idéal" pour que "les civilisations avancées placent un émetteur puissant pour envoyer efficacement des balises à travers toute la Voie lactée", ce qui est encore un autre avantage de cette stratégie.

Gajjar et ses collègues ont balayé les fréquences comprises entre 0,7 et 93 GHz. Les résultats du rapport préliminaire étaient limités aux fréquences comprises entre 1 et 8 GHz et à des intervalles de 7 heures (comme observé par Parkes) et 11,2 heures (comme observé par le télescope de Green Bay). Aucune rafale radio répétée compatible avec une balise extraterrestre n'a été détectée dans ces paramètres.

Aucune intelligence extraterrestre n'a été détectée, mais les scientifiques ont réussi à capturer des événements transitoires compatibles avec les magnétars, ce qui intéressera les astronomes qui étudient ce type d'étoile à neutrons. Et encore une fois, il s'agit d'un rapport préliminaire, nous attendons donc avec impatience d'autres résultats.

En 2019, la même équipe a échoué après avoir analysé 1 372 étoiles proches. Nous ne semblons pas trouver de preuves de vie extraterrestre malgré nos recherches consciencieuses. Il devient difficile de ne pas être pessimiste à propos de l'ensemble de l'effort SETI, mais nous devons garder quelque chose à l'esprit : la recherche d'une vie extraterrestre intelligente ne fait que commencer.


Les étoiles les plus brillantes de Pégase

Les 10 étoiles les plus brillantes de la constellation de Pégase par magnitude.

    1. Star
    2. Ordre de grandeur
    3. Classe spectrale
    1. (&epsilon Peg)
  • 2.38
  • K2Ibvar
    1. (&bêta Peg)
  • 2.44
  • M2II-IIIvar
    1. (&alpha Peg)
  • 2.49
  • B9.5III
    1. (&gamma Peg)
  • 2.83
  • B2IV
    1. (&eta Peg)
  • 2.93
  • G2II-III..
    1. (&zeta Peg)
  • 3.41
  • B8.5V
    1. (&mu Peg)
  • 3.51
  • M2III
    1. (&theta Peg)
  • 3.52
  • A2V
    1. (&iota Peg)
  • 3.77
  • F5V
    1. (&lambda Peg)
  • 3.97
  • G8II-III

25.4 Le centre de la galaxie

Au début de ce chapitre, nous avons laissé entendre que le noyau de notre Galaxie contient une grande concentration de masse. En fait, nous avons maintenant la preuve que le centre même contient un trou noir avec une masse équivalente à 4,6 millions de Soleils et que toute cette masse s'inscrit dans une sphère qui a moins que le diamètre de l'orbite de Mercure. De tels trous noirs monstres sont appelés trous noirs supermassifs par les astronomes, pour indiquer que la masse qu'ils contiennent est bien supérieure à celle du trou noir typique créé par la mort d'une seule étoile. Il est étonnant que nous ayons des preuves très convaincantes de l'existence réelle de ce trou noir. Après tout, rappelez-vous du chapitre sur les trous noirs et l'espace-temps courbe que nous ne pouvons pas voir un trou noir directement car, par définition, il ne dégage aucune énergie. Et nous ne pouvons même pas voir le centre de la Galaxie en lumière visible à cause de l'absorption par la poussière interstellaire qui se trouve entre nous et le centre galactique. La lumière de la région centrale de la Galaxie est atténuée d'un facteur d'un billion (10 12 ) par toute cette poussière.

Heureusement, nous ne sommes pas si aveugles sur les autres longueurs d'onde. Les rayonnements infrarouge et radio, qui ont des longueurs d'onde longues par rapport à la taille des grains de poussière interstellaires, passent sans entrave au-delà des particules de poussière et atteignent ainsi nos télescopes avec pratiquement aucune gradation. En fait, la source radio très brillante dans le noyau de la Galaxie, maintenant connue sous le nom de Sagittaire A* (prononcé "Sagittarius A-star" et abrégé Sgr A*), a été la première source radio cosmique découverte par les astronomes.

Un voyage vers le centre

Faisons un voyage au cœur mystérieux de notre Galaxie et voyons ce qu'il y a là-bas. La figure est une image radio d'une région d'environ 1500 années-lumière de diamètre, centrée sur le Sagittaire A, une source radio lumineuse qui contient la plus petite Sagittaire A * . Une grande partie de l'émission radio provient de gaz chaud chauffé soit par des amas d'étoiles chaudes (les étoiles elles-mêmes ne produisent pas d'émission radio et ne peuvent pas être vues sur l'image) ou par des ondes de souffle de supernova. La plupart des cercles creux visibles sur l'image radio sont des restes de supernova. L'autre source principale d'émission radio provient des électrons se déplaçant à grande vitesse dans les régions à forts champs magnétiques. Les arcs fins brillants et les « fils » sur la figure nous montrent où ce type d'émission est produit.

​ Image radio de la région du centre galactique.

Figure 1. Cette carte radio du centre de la Galaxie (à une longueur d'onde de 90 centimètres) a été construite à partir de données obtenues avec le Very Large Array (VLA) de radiotélescopes à Socorro, Nouveau-Mexique. Les régions plus lumineuses sont plus intenses en ondes radio. Le centre galactique est à l'intérieur de la région étiquetée Sagittaire A. Sagittaire B1 et B2 sont des régions de formation d'étoiles actives. De nombreux filaments ou caractéristiques filiformes sont visibles, ainsi qu'un certain nombre de coquilles (étiquetées SNR), qui sont des restes de supernova. La barre d'échelle en bas à gauche mesure environ 240 années-lumière. Notez que les radioastronomes donnent également des noms d'animaux fantaisistes à certaines des structures, tout comme les nébuleuses de lumière visible reçoivent parfois des noms d'animaux auxquels elles ressemblent. (crédit : modification du travail par N. E. Kassim, D. S. Briggs, T. J. W. Lazio, T. N. LaRosa et J. Imamura (NRL/RSD))​

Concentrons-nous maintenant sur la région centrale en utilisant une forme plus énergétique de rayonnement électromagnétique. La figure montre l'émission de rayons X d'une région plus petite de 400 années-lumière de large et 900 années-lumière de diamètre centrée dans le Sagittaire A * . On voit sur cette image des centaines de naines blanches chaudes, d'étoiles à neutrons et de trous noirs stellaires avec des disques d'accrétion brillants de rayons X. La brume diffuse sur l'image est une émission de gaz qui se trouve parmi les étoiles et est à une température de 10 millions de K.

​Centre Galactique en Rayons X.

Figure 2. Cette mosaïque de couleurs artificielles de 30 images prises avec le satellite à rayons X Chandra montre une région de 400 × 900 années-lumière d'étendue et centrée sur le Sagittaire A*, la source blanche brillante au centre de l'image. Les sources ponctuelles émettrices de rayons X sont des naines blanches, des étoiles à neutrons et des trous noirs stellaires. La « brume » diffuse est une émission de gaz à une température de 10 millions de K. Ce gaz chaud s'écoule du centre vers le reste de la Galaxie. Les couleurs indiquent les bandes d'énergie des rayons X : rouge (faible énergie), vert (énergie moyenne) et bleu (énergie élevée). (crédit : modification des travaux par NASA/CXC/UMass/D. Wang et al.)​

En approchant du centre de la Galaxie, nous trouvons le trou noir supermassif Sagittaire A * . Il y a aussi des milliers d'étoiles dans un parsec de Sagittaire A*. La plupart d'entre elles sont de vieilles étoiles rougeâtres de la séquence principale. Mais il y a aussi une centaine d'étoiles OB chaudes qui doivent s'être formées au cours des derniers millions d'années. Il n'y a pas encore de bonne explication sur la façon dont des étoiles ont pu se former récemment si près d'un trou noir supermassif. Peut-être se sont-elles formées dans un amas dense d'étoiles qui était à l'origine à une plus grande distance du trou noir et a ensuite migré plus près.

Il n'y a actuellement aucune formation d'étoiles au centre galactique, mais il y a beaucoup de poussière et de gaz moléculaire qui tourne autour du trou noir, ainsi que des flûtes de gaz ionisé qui sont chauffées par les étoiles chaudes. La figure est une carte radio qui montre ces streamers de gaz.

Sagittaire A.

Figure 3. Cette image, prise avec le Very Large Array de radiotélescopes, montre l'émission radio d'un gaz chaud et ionisé au centre de la Voie lactée. Les lignes obliques en haut de l'image sont des flûtes de gaz. Sagittaire A* est le point lumineux en bas à droite. (crédit : modification du travail de Farhad Zadeh et al. (Northwestern), VLA, NRAO)​

À la recherche du cœur de la galaxie

Juste ce qui est Sagittaire A*, qui se trouve en plein centre de notre Galaxie ? Pour établir qu'il y a vraiment un trou noir là, il faut montrer qu'il y a une très grande quantité de masse entassée dans un tout petit volume. Comme nous l'avons vu dans Black Holes et Curved Spacetime, prouver qu'un trou noir existe est un défi car le trou noir lui-même n'émet aucun rayonnement. Ce que les astronomes doivent faire, c'est prouver qu'un trou noir est la seule explication possible de nos observations - qu'une petite région contient beaucoup plus de masse que ne pourrait en expliquer un amas très dense d'étoiles ou quelque chose d'autre fait de matière ordinaire.

Pour mettre quelques chiffres avec cette discussion, le rayon de l'horizon des événements d'un trou noir galactique avec une masse d'environ 4 millions MSoleil ne serait qu'environ 17 fois la taille du Soleil, soit l'équivalent d'une seule étoile géante rouge. La densité correspondante dans cette région de l'espace serait beaucoup plus élevée que celle de n'importe quel amas d'étoiles ou de tout autre objet astronomique ordinaire. Par conséquent, nous devons mesurer à la fois le diamètre du Sagittaire A* et sa masse. Des observations radio et infrarouges sont nécessaires pour nous fournir les preuves nécessaires.

Voyons d'abord comment mesurer la masse. Si nous nous concentrons sur les quelques jours-lumière internes de la Galaxie avec un télescope infrarouge équipé d'une optique adaptative, nous voyons une région peuplée d'étoiles individuelles (Figure). Ces étoiles sont maintenant observées depuis près de deux décennies et les astronomes ont détecté leurs mouvements orbitaux rapides autour du centre même de la Galaxie.

Vue proche infrarouge du centre galactique.

Figure 4. Cette image montre la seconde d'arc interne, ou 0,13 année-lumière, au centre de la Galaxie, telle qu'observée avec le télescope géant Keck. Les traces des étoiles en orbite mesurées de 1995 à 2014 ont été ajoutées à cet « instantané ». Les étoiles se déplacent très rapidement autour du centre et leurs traces sont toutes cohérentes avec un seul « gravitateur » massif qui réside au centre même de cette image. (crédit : modification du travail par Andrea Ghez, UCLA Galactic Center Group, W.M. Keck Observatory Laser Team)​

Découvrez une version animée de Figure, montrant le mouvement des étoiles au fil des ans.

Si nous combinons les observations de leurs périodes et de la taille de leurs orbites avec la troisième loi de Kepler, nous pouvons estimer la masse de l'objet qui les maintient dans leurs orbites. L'une des étoiles a été observée sur son orbite complète de 15,6 ans. Son approche la plus proche l'amène à une distance de seulement 124 UA, soit environ 17 heures-lumière du trou noir. Cette orbite, combinée aux observations d'autres étoiles proches du centre galactique, indique qu'une masse de 4,6 millions MSoleil doit être concentré à l'intérieur de l'orbite, c'est-à-dire à moins de 17 heures-lumière du centre de la Galaxie.

Des limites encore plus strictes sur la taille de la concentration de masse au centre de la Galaxie proviennent de la radioastronomie, qui a fourni le premier indice qu'un trou noir pourrait se trouver au centre de la Galaxie. Au fur et à mesure que la matière s'enroule vers l'horizon des événements d'un trou noir, elle est chauffée dans un tourbillon disque d'accrétion et produit un rayonnement radio. (De tels disques d'accrétion ont été expliqués dans Black Holes and Curved Spacetime.) Les mesures de la taille du disque d'accrétion avec le Very Long Baseline Array, qui fournit une très haute résolution spatiale, montrent que le diamètre de la source radio Sagittarius A * n'est pas plus grand qu'environ 0,3 UA, soit environ la taille de l'orbite de Mercure. (En unités lumineuses, c'est seulement 2,5 lumière-minutes!)

Les observations montrent ainsi que 4,6 millions de masses solaires sont entassées dans un volume dont le diamètre n'est pas plus grand que l'orbite de Mercure. S'il s'agissait d'autre chose qu'un trou noir supermassif – des étoiles de faible masse qui émettent très peu de lumière ou d'étoiles à neutrons ou un très grand nombre de petits trous noirs – les calculs montrent que ces objets seraient si denses qu'ils s'effondreraient en un seul trou noir d'ici cent mille ans. C'est un temps très court comparé à l'âge de la Galaxie, qui a probablement commencé à se former il y a plus de 13 milliards d'années. Puisqu'il semble très peu probable que nous ayons attrapé un groupe d'objets aussi complexe juste avant qu'il ne s'effondre, la preuve d'un trou noir supermassif au centre de la Galaxie est en effet convaincante.

Trouver la source

D'où vient notre trou noir galactique ? L'origine de trous noirs supermassifs dans des galaxies comme la nôtre est actuellement un domaine de recherche actif. Une possibilité est qu'un gros nuage de gaz près du centre de la Voie lactée se soit effondré directement pour former un trou noir. Étant donné que nous trouvons de grands trous noirs au centre de la plupart des autres grandes galaxies (voir Galaxies actives, quasars et trous noirs supermassifs) - même ceux qui sont très jeunes - cet effondrement aurait probablement eu lieu lorsque la Voie lactée commençait tout juste à prendre façonner. La masse initiale de ce trou noir aurait pu n'être que de quelques dizaines de masses solaires. Une autre façon dont cela aurait pu commencer est qu'une étoile massive aurait pu exploser pour laisser derrière elle un trou noir, ou qu'un amas dense d'étoiles aurait pu s'effondrer dans un trou noir.

Une fois qu'un trou noir existe au centre d'une galaxie, il peut se développer au cours des prochains milliards d'années en dévorant les étoiles et les nuages ​​de gaz à proximité dans les régions centrales surpeuplées. Il peut également se développer en fusionnant avec d'autres trous noirs.

Il semble que le trou noir monstre au centre de notre Galaxie n'ait pas fini de « manger ». A l'heure actuelle, nous observons des nuages ​​de gaz et de poussières tombant dans le centre galactique à raison d'environ 1 MSoleil par mille ans. Les étoiles sont également au menu du trou noir. La densité d'étoiles près du centre galactique est suffisamment élevée pour qu'on s'attende à ce qu'une étoile passe près du trou noir et soit avalée par celui-ci tous les dix mille ans environ. Lorsque cela se produit, une partie de l'énergie de l'infall est libérée sous forme de rayonnement. En conséquence, le centre de la Galaxie pourrait s'embraser et même brièvement éclipser toutes les étoiles de la Voie lactée. D'autres objets pourraient également s'aventurer trop près du trou noir et y être attirés. L'ampleur de l'éruption que nous observons dépendrait de la masse de l'objet tombant.

En 2013, le satellite à rayons X Chandra a détecté une éruption du centre de notre Galaxie qui était 400 fois plus lumineuse que la sortie habituelle de Sagittarius A*. Un an plus tard, une deuxième éruption, deux fois moins brillante, a également été détectée. C'est beaucoup moins d'énergie que ce que produirait l'ingestion d'une étoile entière. Il existe deux théories pour expliquer les fusées éclairantes. Premièrement, un astéroïde s'est peut-être aventuré trop près du trou noir et a été chauffé à très haute température avant d'être englouti. Alternativement, les éruptions pourraient avoir impliqué des interactions des champs magnétiques près du centre galactique dans un processus similaire à celui décrit pour les éruptions solaires (voir The Sun: A Garden-Variety Star). Les astronomes continuent de surveiller la zone du centre galactique à la recherche d'éruptions ou d'autres activités. Bien que le monstre au centre de la Galaxie ne soit pas assez proche de nous pour représenter un danger, nous voulons quand même le surveiller.

REMARQUE : ANDREA GHEZ

​Amoureuse d'énigmes, Andrea Ghez poursuit l'un des plus grands mystères de l'astronomie : quelle étrange entité se cache au centre de notre Voie lactée ?

Andréa Ghez.

Figure 5. Les recherches de Ghez et de son équipe ont contribué à façonner notre compréhension des trous noirs supermassifs. (crédit : modification du travail par John D. et Catherine T. MacArthur Foundation)​

​Enfant vivant à Chicago à la fin des années 1960, Andrea Ghez (figure) était fascinée par les alunissages d'Apollo. Mais elle était aussi attirée par le ballet et par la résolution de toutes sortes d'énigmes. À l'école secondaire, elle avait perdu le goût du ballet au profit de la compétition de hockey sur gazon, de la flûte traversière et de l'approfondissement des études universitaires. Ses années de premier cycle au MIT ont été ponctuées par un certain nombre de changements dans sa majeure – des mathématiques à la chimie, en passant par le génie mécanique, le génie aérospatial et enfin la physique – où elle sentait que ses options étaient les plus ouvertes. En tant que majeure en physique, elle s'est impliquée dans la recherche astronomique sous la direction d'un de ses instructeurs. Une fois qu'elle a pu faire des observations réelles à l'observatoire national de Kitt Peak en Arizona, et plus tard à l'observatoire interaméricain de Cerro Tololo au Chili, Ghez avait trouvé sa vocation.

Poursuivant ses études supérieures à Caltech, elle est restée fidèle à la physique mais a orienté ses efforts vers l'astrophysique d'observation, un domaine où Caltech avait accès à des installations de pointe. Bien qu'initialement attirée par l'étude des trous noirs soupçonnés d'habiter à l'intérieur de la plupart des galaxies massives, Ghez a fini par passer la majeure partie de ses études supérieures et plus tard de ses recherches postdoctorales à l'Université d'Arizona à étudier les étoiles en formation. En prenant des images (détaillées) à très haute résolution des régions où naissent de nouvelles étoiles, elle a découvert que la plupart des étoiles se forment en tant que membres de systèmes binaires. Au fur et à mesure que les technologies progressaient, elle a pu suivre les orbites dansées par ces paires d'étoiles et ainsi déterminer leurs masses respectives.

Aujourd'hui professeur d'astronomie à l'UCLA, Ghez a depuis utilisé des techniques d'imagerie à haute résolution similaires pour étudier les orbites des étoiles au cœur de la Voie lactée. These orbits take years to delineate, so Ghez and her science team have logged more than 20 years of taking super-resolution infrared images with the giant Keck telescopes in Hawaii. Based on the resulting stellar orbits, the UCLA Galactic Center Group has settled (as we saw) on a gravitational solution that requires the presence of a supermassive black hole with a mass equivalent to 4.6 million Suns—all nestled within a space smaller than that occupied by our solar system. Ghez’s achievements have been recognized with one of the “genius” awards given by the MacArthur Foundation. More recently, her team discovered glowing clouds of warm ionized gas that co-orbit with the stars but may be more vulnerable to the disruptive effects of the central black hole. By monitoring these clouds, the team hopes to better understand the evolution of supermassive black holes and their immediate environs. They also hope to test Einstein’s theory of general relativity by carefully scrutinizing the orbits of stars that careen closest to the intensely gravitating black hole.

Besides her pioneering work as an astronomer, Ghez competes as a master swimmer, enjoys family life as a mother of two children, and actively encourages other women to pursue scientific careers.

​Key Concepts and Summary

A supermassive black hole is located at the center of the Galaxy. Measurements of the velocities of stars located within a few light-days of the center show that the mass inside their orbits around the center is about 4.6 million MSoleil. Radio observations show that this mass is concentrated in a volume with a diameter similar to that of Mercury’s orbit. The density of this matter concentration exceeds that of the densest known star clusters by a factor of nearly a million. The only known object with such a high density and total mass is a black hole.


Image astronomique du jour

Découvrez le cosmos ! Chaque jour, une image ou une photographie différente de notre univers fascinant est présentée, accompagnée d'une brève explication écrite par un astronome professionnel.

2005 March 26
Composite Crab
Crédit: J. Hester (ASU) et al., CXC, HST, NASA

Explication: The Crab Pulsar, a city-sized, magnetized neutron star spinning 30 times a second, lies at the center of this composite image of the inner region of the well-known Crab Nebula. The spectacular picture combines optical data (red) from the Hubble Space Telescope and x-ray images (blue) from the Chandra Observatory, also used in the popular Crab Pulsar movies. Like a cosmic dynamo the pulsar powers the x-ray and optical emission from the nebula, accelerating charged particles and producing the eerie, glowing x-ray jets. Ring-like structures are x-ray emitting regions where the high energy particles slam into the nebular material. The innermost ring is about a light-year across. With more mass than the Sun and the density of an atomic nucleus, the spinning pulsar is the collapsed core of a massive star that exploded, while the nebula is the expanding remnant of the star's outer layers. The supernova explosion was witnessed in the year 1054.


'A New Rosetta Stone for Astronomy'

For the first time, astronomers have detected visible light and gravitational waves from the same source, ushering in a new era in our attempt to understand the cosmos.

In September of 2015, astronomers detected, for the first time, gravitational waves, cosmic ripples that distort the very fabric of space and time. They came from a violent merger of two black holes somewhere in the universe, more than a billion light-years away from Earth. Astronomers observed the phenomenon again in December, and then again in November 2016, and then again in August of this year. The discoveries confirmed a century-old prediction by Albert Einstein, earned a Nobel prize, and ushered in a new field of astronomy.

But while astronomers could observe the effects of the waves in the sensitive instruments built to detect them, they couldn’t see the source. Black holes, as their name suggests, don’t emit any light. To directly observe the origin of gravitational waves, astronomers needed a different kind of collision to send the ripples Earth’s way. This summer, they finally got it.

Scientists announced Monday they have observed gravitational waves for the fifth time—and they’ve seen the light from the cosmic crash that produced them. The waves came from the collision of two neutron stars in a galaxy called NGC 4993, located about 130 million light-years from Earth.

Neutron stars are strange, mysterious objects, the collapsed cores of stars that exploded in spectacular fashion—supernovae—and died. These stars measure about the size of a metropolitan city, but have about the same mass as our sun. Astronomers had long predicted that when two neutron stars collide, the resulting explosion would produce electromagnetic radiation, in the form of optical light. The afterglow would shine bright enough to be seen through powerful telescopes, the first visible proof of a source of gravitational waves, provided the latter could also be detected.

Here it is, captured by the European Southern Observatory’s Very Large Telescope in Chile, in the center of the image:

Astronomers made the observation August 17. Three gravitational-wave detectors, two at the Nobel prize–winning Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in the United States, and one at the Virgo Interferometer in Italy, detected the cosmic ripples as they washed over Earth. About two seconds later, two space telescopes—NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope and ESA’s International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory—observed a short burst of gamma rays, the most energetic wave in the electromagnetic spectrum, coming from the same part of the sky.

The almost simultaneous detections caught astronomers’ attention, and they threw everything they had at it. Dozens of ground-based telescopes around the world quickly turned their gaze toward the same slice of sky. ESO’s army of telescopes, sprinkled across the Chilean desert, scanned through the night. When the sun set in Hawaii, the Pan-STARRS and Subaru telescopes joined in. So did space observatories like Hubble. Within hours, astronomers pinpointed the location of the collision using an ESO telescope that sees in infrared wavelengths. They aimed the Swope Telescope, also in Chile, at the region and started snapping pictures. They found the afterglow in their ninth shot.

Astronomers observed the afterglow of the merger for days. They watched as the glowing orb faded and changed colors from blue to red, a tell-tale sign that the remnants of the crash were pushing radioactive material out and cooling down.

Here’s an animation from ESO that shows two neutron stars spiraling closer together until they crash:

Astronomers examined the gravitational waves to estimate the size of the colliding objects and found they had masses far smaller than black holes. “The biggest neutron star is a lot smaller than the smallest black hole,” said Richard O’Shaughnessy, a theoretical gravitational-wave astrophysicist at Rochester Institute of Technology who works in the LIGO group. The mass measurement, coupled with the near-simultaneous observations of the gravitational waves and a light source, told scientists they were dealing with neutron stars. The event was also much closer to Earth than previous mergers recorded by LIGO, which originated between 1 billion and 3 billion light-years away.

All told, about 70 observatories captured the event, named GW170817 for the day it made itself known to Earth. The collision’s aftermath was recorded at nearly every wavelength. O’Shaughnessy described the discovery as a Rosetta stone for astronomy the observation produced reams of data with richness seemingly unprecedented for a single astronomical event. The findings, which are spread across many papers in several journals, provide evidence for several theories in astronomy.

The discovery supports the theory that neutron-star collisions produce short gamma-ray bursts, brief streams of light that shine brighter than a million trillion times the sun. Gamma-ray bursts have been detected and imaged before, but without gravitational-wave detectors like LIGO and Virgo, astronomers couldn’t know whether they came from cosmic collisions.

The presence of the short gamma ray-burst suggests the merger led to a kilonova, a powerful explosion 1,000 times brighter than a supernova. Astronomers have long suspected kilonovae follow neutron-star collisions, spewing material out into space. In the case of GW170817, scientists estimate the kilonova ejected material at one-fifth the speed of light, faster than a typical supernova.

The findings support another prediction that neutron-star collisions produce chemical elements heavier than iron, like gold and platinum. Astronomers believe neutrons released during the merger combine with surrounding atoms in a phenomenon known as r-process nucleosynthesis. Telescope observations of GW170817’s spectra—the chemical composition of the star material—revealed it contained heavy elements, including 10 times the mass of the Earth in gold, according to O’Shaughnessy. These kinds of collisions, astronomers believe, may be responsible for populating the universe with heavy elements.

The discovery gave scientists a chance to measure the expansion of the universe, too. Since astronomers knew which galaxy the latest gravitational waves came from, they could calculate the distance between that galaxy and Earth and then plug it into equations for the rate of expansion, known as the Hubble constant. Good news: The answer matched up with previous estimates from other methods.

When scientists announced their fourth detection of gravitational waves in August, they promised that these kinds of announcements would become routine. LIGO and Virgo’s instruments, they predicted, will detect the rippling of space-time once or multiple times a week. It’s a certainty that we will experience the effects of mergers between black holes and neutron stars—and maybe between one of each—again. LIGO and Virgo scientists may even have a few confirmed detections they haven’t told us about yet. And the more, the better.

“This rain of events will continue at such a high rate that we’ll have a census of comic explosions,” O’Shaughnessy said. “And by data mining the census, we can learn something about how they form, about the origins of these mysterious events.”


What lies at the center of a neutron star if any? - Astronomie


  • The neutron star at the center of Cas A is found to have an ultra-thin carbon atmosphere.
  • This atmosphere is uniformly distributed across the neutron star, explaining why there are no pulsations detected from this object.
  • The neutron star in Cas A was first detected over ten years ago in Chandra's "First Light" image.

This Chandra X-ray Observatory image shows the central region of the supernova remnant Cassiopeia A (Cas A, for short) the remains of a massive star that exploded in our galaxy. Evidence for a thin carbon atmosphere on a neutron star at the center of Cas A has been found. Besides resolving a ten-year-old mystery about the nature of this object, this result provides a vivid demonstration of the extreme nature of neutron stars. An artist's impression of the carbon-cloaked neutron star is also shown.

The properties of this carbon atmosphere are remarkable. It is only about four inches thick, has a density similar to diamond and a pressure more than ten times that found at the center of the Earth. As with the Earth's atmosphere, the extent of an atmosphere on a neutron star is proportional to the atmospheric temperature and inversely proportional to the surface gravity. The temperature is estimated to be almost two million degrees, much hotter than the Earth's atmosphere. However, the surface gravity on Cas A is 100 billion times stronger than on Earth, resulting in an incredibly thin atmosphere.

Fast Facts for Cassiopeia A:
Credit X-ray: NASA/CXC/Southampton/W. Ho et al. Illustration: NASA/CXC/M.Weiss
Release Date November 4, 2009
Scale Image is 4.5 arcmin across
Category Supernovas & Supernova Remnants
Coordinates (J2000) RA 23h 23m 26.7s | Dec +58° 49' 03.00"
Constellation Cassiopeia
Observation Date 9 pointings in 2004: Feb 8, Apr 14, 18, 20, 22, 25, 28, May 01, 05
Temps d'observation 11 days, 14 hours
Obs. identifiant 4634-4639, 5196, 5319-5320
Instrument ACIS
Also Known As Cas A
Les références W.Ho and C.Heinke, 2009, Nature (Nov 5 issue)
Color Code Energy: Red (0.5-1.5 keV) Green (1.5-3.0 keV) Blue (4.0-6.0 keV)

A couple of science fiction authors have speculated about the possibility of self-replicating structures life on neutron star surfaces, Robert Forward's novel "Dragon's Egg" is the most well-known example, and I think quite well-done.

Posted by Craig Heinke on Wednesday, 04.7.10 @ 10:12am

Dear Ed,
We give a reference to the Nature paper that was just published, and you
can also find the paper at:
http://lanl.arxiv.org/abs/0911.0672
-P. Edmonds, CXC

Posted by P. Edmonds on Tuesday, 11.10.09 @ 11:30am

Dear Marvin,
Thanks for your comment. The surface of a neutron star certainly wouldn't be the first place I would consider for the possibility of life, even very exotic life. The surface gravity and temperature, the magnetic fields and the atmosphere's density and pressure are all very high.
-P. Edmonds, CXC

Posted by P. Edmonds on Tuesday, 11.10.09 @ 11:28am

You are on the right track. In fact there is a neutron star at the core of the Sun and probably of every other star.

The Sun and the cosmos are powered by neutron repulsion. I urge those at the Chandra Observatory to join the Yahoo Group, that Kirt Griffin established, to discuss the concept of neutron repulsion.

Please contact him or me for details.

With kind regards
Oliver K. Manuel

Posted by Oliver K Manuel on Saturday, 11.7.09 @ 06:37am

Thank you for info on Cassiopeia absolutely fascinating and very informative.

Posted by Gordon Musson on Friday, 11.6.09 @ 04:45am

Why is everything we discover strange? Answer we don't know squat. Keep exploring, learning, there is much out there.

Posted by Wayne C. Parker on Thursday, 11.5.09 @ 21:43pm

That is most interesting. I wonder what the significance of the carbon atmosphere is?
This may be too far out of a question, but we talk of the possibility of life on other planets, could there be the chance of there being a life as we do not know it living in stars or on or in their atmospheres. There was a SF short story I read long ago that speculated about this type of life.
Just a thought
Marvin L. S.

Posted by Marvin L S on Thursday, 11.5.09 @ 21:22pm

Sounds interesting, but explaining how was it established that this peculiar atmosphere is composed of carbon and that there is underneath an iron shell. And why does it prevent the pulsation - do not the shells rotate with the neutron star? At least a reference to a source or article where more details are available should be given with your reports.