Les jets d'un trou noir

question posée le 20-11-2013 par Leteissier Serge

Noyaux lourds dans les jets de trous noirs
Noyaux lourds dans les jets de trous noirs

Illustration Crédit: NASA, CXC, M. Weiss

Bonjour, un trou noir absorbe théoriquement tout ce qu'il attire, pourquoi le jet est-il expulsé dans ce cas ?

réponse du 07-12-2013 par Fabrice Mottez

Des grandeurs qui sont conservées dans la nature, la plus connue est l'énergie : si de l'énergie est perdue quelque part, elle doit apparaître au même moment sous une autre forme.

Une autre grandeur qui se conserve est le moment angulaire. Imaginez de la matière qui tombe sur un trou noir. Elle ne tombe pas en ligne droite vers le trou noir, mais en tournant (car c'était initialement de la matière satellisée autour de lui). Or le moment angulaire de ce qui tombe est la masse multipliée par la vitesse angulaire et multipliée par le carré de la distance au trou noir.

(La vitesse angulaire varie comme l'inverse de la période de rotation de la matière autour du trou noir.)

Donc si un objet tombe sur le trou noir, la distance diminue, donc la vitesse angulaire doit augmenter. Mais plus la vitesse angulaire est grande, plus la force centrifuge augmente. En effet, la force centrifuge varie comme la distance multipliée par le carré de la vitesse angulaire. Il y a une distance où la force centrifuge devient plus grande que la force gravitationnelle du trou noir. Alors la matière cesse de tomber.

Bien sûr, quand la matière s'approche du trou noir, il se passe des choses plus compliquées, car les lois de la mécanique classique (comme celles employées ci-dessus) ne s'appliquent plus. Et la matière tombe quand même. Mais la notion de moment angulaire demeure. Or si de la matière atteint le trou noir, c'est qu'elle a perdu assez de moment angulaire pour l'atteindre.

Ou est passé alors le moment angulaire perdu ?

Il a été donné à une autre partie de la matière. La matière qui a acquis ce moment angulaire subit une force centrifuge très force. Cette matière a donc cessé de tomber. Elle est même expulsée à très grande distance du trou noir. C'est ainsi que le jet est formé.

Autrement dit : une partie de la matière tombe dans le trou noir, mais elle cède du moment angulaire à une autre partie de la matière voisine du trou noir. En gagnant ainsi du moment angulaire (donc en se mettant à tourner très vite) cette matière subit la force centrifuge et se trouve éjectée au loin.

Le fonctionnement précis de ce mécanisme, appelé "accrétion-jet "(c'est à dire partage entre ce qui tombe et ce qui forme un jet) est un problème complexe de l'astrophysique. On ne sait pas le résoudre avec des calculs simples faits à la main, mais on s'en sort en partie avec des simulations numériques faites sur des ordinateurs.

Les mécanismes d'accrétion-jet ne se produisent pas seulement au voisinage de trous noirs. Lorsque des étoiles se forment, elles sont entourées d'un nuage de matière qui tombe sur elles. A certaines phases de leur formation, des étoiles jeunes entourées d'un nuage de matière forment aussi un jet.

Pour revenir à votre question : le trou noir n'absorbe pas tout ce qu'il attire. Il en absorbe seulement une partie. Cependant, passé une certaine distance, oui, tout ce qui arrive finit par y tomber. Mais à cette distance, le jet a déjà été formé, et la matière qui se trouve là a déjà perdu le moment angulaire qui empêcherait sa chute.

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