quasar

[Garion]

Faudrait encore que ses ondes touches quelques choses !

Ben, vu la l'énergie dégagée par la chose (dans toutes les directions), la plus infime partie qui toucherait la terre rendrait toute vie impossible, voire même pulvériserait la terre suivant la distance...
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[Garion]

C'est sur Garion je penserais à aller sur Futura Science au moins je pourrais enfin arrivé à prouver.

Prouver quoi ? Que tu connais une réponse que personne n'a ici ?
C'est perdu d'avance...

[ALTAZ]

Je préfère arrêté de discuter avec toi Garion car ce n'est pas gentil ce que tu fais à un débutant comme moi.

[Garion]

Et bien, soit...

[Gilgamesh]

Tu peux chercher avec les mots clés AGN (Active Galactic Nuclei: noyaux actifs de galaxies).

Les quasars prennent place dans un vaste modèle, celui des galaxies à noyaux actifs, c'est à dire possédant un trou noir super massif (en anglais SMBH pour super massif black hole) en cours d'accrétion.

Dans la suite du topo qui explique le processus par lequel ils émettent d'énormes quantités de lumière, on ne parlera plus de quasar spécifiquement mais on s'intéressera à la machinerie commune à tous les noyaux actifs.

L'accrétion est le processus par lequel un astre central plus ou moins compact grossit un capturant du gaz alentours. Le gaz possédant un moment de rotation, il ne tombe pas en droite ligne sur l'astre, mais forme un disque en rotation qui accélère quand son rayon orbital diminue. La vitesse v de rotation du gaz est képlerienne, c'est à dire en rapport avec le rayon orbital R et la masse de l'astre central M.



avec G la cte de gravitation

Le ratio (M/R)^1/2 implique que plus l'astre en massif et compact, c'est à dire qu'étant très ramassé, il permet au gaz d'orbiter très près de sa surface, plus la vitesse orbitale est élevée. Le trou noir étant l'astre le plus compact qui soit, c'est dire celui dont le ratio M/R est le plus élevé concevable,c'est celui qui autours duquel les vitesses orbitales seront les plus élevée, avoisinant la vitesse limite, c. En outre, vu que la vitesse est inversement proportionnel au rayon de l'orbite, deux particules de gaz ayant une orbite différente auront un vitesse relative différente : le disque d'accrétion possède un gradient de vitesse. Les parties centrales proches de l'astre tournent à la vitesse maximale et les partie plus extérieure tourne plus lentement. Ce différentiel de vitesse provoque des frictions internes dans le disque. Ces frictions thermalisent le disque, c'est à dire qu'elles transforment une partie de l'énergie orbitale en chaleur. Le gaz s'échauffe en perdant de la vitesse et dans le cas d'une orbite, une perte de vitesse se traduit par une perte d'altitude ce qui... accélère le gaz (il tombe vers l'intérieur). Le gaz spirale ainsi en un mouvement de plus en plus accéléré vers le centre, figure assez comparable au vortex qui se forme dans un évier en train de se vider. Et dans le cas de l'AGN cela se termine brutalement par une traversée de l'horizon du trou noir.

Cette dernière étape est importante car elle fait intervenir la rotation du trou noir lui même, et influe grandement sur le rendement énergétique de l'AGN.

Le trou noir est en effet un astre particulier. Un astre classique comme la Terre ou le Soleil ne possède pas de rayon orbital minimal (en dehors de sa surface lui même ou plus exactement de sa surface augmenté par la hauteur de son atmosphère). Si on considère en pensée un astre parfaitement lisse et sans atmosphère, on peut imaginer lancer une bille qui orbite à seulement 1 mm de la surface, concrètement c'est difficilement réalisable (parce que les astres assez lisses pour permettre cela ne sont pas légion, seule les étoiles à neutron le permettraient je pense) mais il n'y a pas d'opposition théorique. Dans le cas du trou noir il existe une dernière orbite stable, de rayon égale à 1,5 fois le rayon de l'horizon pour un trou noir statique (TN de Schwarzschild, qui ne tourne pas sur lui même). Cela signifie qu'une particule de gaz qui passe en dessous de ce rayon tombe comme un pierre vers l'horizon, quasi à la vitesse de la lumière, et disparaît de l'univers. Si le trou noir est en rotation (TN de Kerr), il entraîne l'espace alentour avec lui, l'espace entraîne la matière avec lui, et au final cela permet à la matière d'orbiter plus près de l'horizon. A la vitesse maximale de rotation d'un trou noir (qui est finie) la dernière orbite stable se confond avec l'horizon.

En quoi est ce important ? Tant que la matière est extérieure au trou noir, qu'elle n'a pas franchie l'horizon, elle peut rayonner de l'énergie vers le reste de l'univers. Un trou noir de Kerr, par sa rotation, permet à la matière de rayonner plus longuement avant de disparaître, et dissiper ainsi plus d'énergie. Le rendement énergétique du trou noir passe de 0,07 max dans le cas d'un TN de Schwarzschild à près de 0,3 max dans le cas d'un TN de Kerr à la rotation maximale. Ce qu'on appelle rendement ici, c'est la quantité d'énergie rayonnée par rapport à la quantité de masse énergie mc² absorbée. Le premier chiffre comme le second représentent des rendements extraordinaires, et sans équivalent dans l'univers (les étoiles par le processus thermonucléaire rayonnent avec un rendement max de 0,007). La gravité est le moyen le plus efficace pour transformer la matière en rayonnement, rien n'est aussi formidablement brillant sur la longue durée dans l'univers que les disques d'accrétion autours d'astre compacts (naines blanches, étoiles à neutrons et trou noirs, les deux premiers étant limités en masse à 1,4 pour les premières et 2-3 masses solaires pour les seconds tandis que les trous noirs, stade ultimes de l'effondrement, n'ont pas de masse limite et peuvent atteindre, notamment par le processus dont nous discutons, et également par fusion avec un autre SMBH, en cas de fusion de galaxie, des millions voire des dizaines de milliards de masses solaires).

La matière en rotation communique se rotation au trou noir (le trou noir ne conserve que trois quantités dans la matière qu'il absorbe : sa masse, son moment de rotation et sa charge électrique). Un trou noir qui accrète sur des millions d'années de la matière en orbite doit se mettre à tourner lui même, ce qui améliore mécaniquement son rendement énergétique et le porte, assez prévisiblement, à la rotation maximale. On dispose d'assez peu de preuves de la rotation des trous noirs, mais on en dispose : un gaz rayonnant près de l'horizon à des températures T de l'ordre du millions de Kelvin il émet des photon dans la bande X, à des énergie de l'ordre de T/10⁴ eV et on observe notamment la bande Kα du fer à 6.4–7 keV. Comme le gaz émet dans un fort champ de gravité, étant proche de l'horizon, ce rayonnement est décalé vers le "rouge" (redshifté) d'une quantité précisément calculable, selon la distance à l'horizon (d'autant plus faible, on l'a vu que le trou noir est en rotation). L'observation de la raie Kα redshiftée est, en dehors d'arguments théoriques solides, la preuve la plus tangible dont nous disposons que les trous noirs accrétant sont en rotation.

Il reste une dernière étape du raisonnement pour comprendre le moteur des AGN, qui nous reporte sur le disque. Il s'agit d'un gaz porté par la friction interne à de très hautes températures. Etant chaud, il rayonne. ce rayonnement induit une pression. La pression de rayonnement est un phénomène qui nous est relativement étranger, à nous qui vivons dans des environnements "froids". Nous n'avons pas l'impression d'être repoussés par une source de lumière face à nous. Pourtant c'est le cas, chaque photons qui nous frappe transporte une impulsion p, fonction de son énergie :

p = hv/c

h la cte de Planck
v la fréquence
hv l'énergie du photon
c la vitesse de la lumière


Aussi faible soit elle à nos échelles, cette pression du rayonnement est mesurable et pourra peut être même déplacer des sondes dans les système solaire : c'est le principe des voiles photoniques. Dans l'univers, cette pression joue un grand rôle dans tous les environnement très chauds (coeur et enveloppe des étoiles, disques d'accrétion, Big Bang...), car son intensité est proportionnelle à la puissance quatrième de la température.

Dans le cas d'un disque d'accrétion cette pression est centrifuge, elle s'oppose au mouvement vers l'astre central. Elle joue donc un rôle régulateur (feedback négatif de l'accrétion) : la "machine centrale" peut accréter de la matière et briller jusqu'à un débit maximal, où la pression de rayonnement liée à l'échauffement du gaz va s'opposer à l'accrétion. Cette luminosité max est la limite Eddington et s'exprime comme :



avec
Lmax la luminosité de Eddington
Lo la luminosité solaire 4.10²⁶ W
M la masse de l'astre central
Mo la masse solaire

Autrement dit, si le Soleil se transformait en trou noir (sa masse est insuffisante pour cela, mais en admettant), formant un petit corps compact de 3 km de rayon, et qu'il était entouré de gaz accrétant ad libitum, la luminosité de ce minuscule moteur pourrait atteindre 30 000 fois celle du Soleil actuel, ce qui aide a percevoir la formidable efficacité de l'accrétion évoquée plus haut, et nous donne également sa limite.

La température maximale, et donc l'énergie moyenne des photons émis, est liée au gradient de vitesse dans le disque. Plus deux orbites consécutives ont des vitesses relatives élevées, plus la friction est forte, et plus la température est élevée. Le gradient de vitesse autours d'un trou noir de masse stellaire est plus élevé qu'autours d'un SMBH et le disque est plus chaud. Les AGN émettent donc plutôt dans les UV que dans les X, toutefois les disques d'accrétions sont incomparablement plus vastes et les AGN forment donc les sources les plus lumineuses de l'univers.

La luminosité de Eddington est un moyen robuste pour estimer la masse maximale accrétante. Une autre mesure possible de la masse de astre central est de mesurer la vitesse orbitale moyenne du disque d'accrétion. A part quelque notables exception (M87 par exemple) la partie centrale des AGN ne peut être résolu optiquement (les quasars sont des points sans dimension dans le télescope, comme la plupart des étoiles) mais on peut obtenir cette quantité en analysant le spectre. Un disque observé sur la tranche émet une lumière émise pour moitié par un disque qui s'éloigne de nous (la lumière émise par cette fraction est décallée vers les "rouge") et pour moitié par un disque qui se rapproche de nous (la fraction émise est décallée vers les bleu). Une raie quelconque dans le spectre émis par le disque total se trouve donc élargie et cette mesure de largeur donne accès à la vitesse de rotation. Qui est elle même une mesure du rapport M/R (Képler !) comme on l'a vu. La rapprochement des deux mesures implique qu'une grande proportion des quasars émettent à la luminosité de Eddington, ce qui signifie qu'ils se goinfrent. Les taux d'accrétions déduits dépassent facilement une masse solaire par an.

[Mailou75]

Du lourd !!

Merci

[Mailou75]

Une p'tite question tout de même...

Pour un tel objet, pourquoi la vitesse orbitale retenue est elle "classique" ?

Pourquoi ne prend-t-on pas la formule relativiste où la valeur spécifique r=1,5Rs donne =1, la dernière orbite des photon (TN statique) ?

Merci
Mailou