A quoi ressemble un trou noir? [Report]

Au centre de notre galaxie se trouve un trou noir supermassif tourbillonnant et débordant d’énergie, appelé Sagittarius A * ou Sgr A *, en abrégé. Depuis des milliards d'années, le gaz et la poussière environnants y sont tombés. Tous les 10 000 ans environ, il avale une étoile proche.

Sgr A * (prononcer Saj-A-star) est le plus grand trou noir de notre ciel nocturne, mais nous ne savons pas à quoi ça ressemble de près, car nous n’avons jamais réussi à le prendre en photo.

Ceci est vrai pour tous les trous noirs.

Ils sont omniprésents dans notre univers, mais ils sont si petits dans le ciel que nous n’en avons une image détaillée.

Les images que vous voyez sur le web ou dans les documentaires télévisés sont des illustrations ou des simulations basées sur des preuves indirectes – des observations de la région de l’espace autour du trou noir. Les scientifiques ne doutent pas qu'il existe des trous noirs, mais sans image, ils ne peuvent pas le prouver avec certitude.

Tout cela peut être sur le point de changer.

Au cours des quatre dernières années, le professeur d’astrophysique John Wardle a collaboré avec une équipe d’environ 200 scientifiques et ingénieurs pour créer une image de Sgr A * qui serait notre toute première image d’un trou noir. L'initiative, appelée Event Horizon Telescope (EHT), a terminé la collecte de données en avril 2017. Les chercheurs sont en train de l'analyser.

En fonction des résultats, l'image qu'ils produisent de Sgr A * peut ressembler à celle-ci:

Cela peut sembler peu, mais générer cette image approximative de Sgr A * équivaut à lire un titre de journal sur la Lune debout sur Terre.

En fait, il suffit de répondre à certaines de nos plus grandes questions sans réponse concernant l’un des phénomènes les plus mystérieux de l’univers: à quoi ressemblent la lumière et la matière alors qu’elles se dirigent vers un trou noir? De quoi sont faits les courants d’énergie tirés des trous noirs? Quel rôle les trous noirs ont-ils joué dans la formation des galaxies?

Bien que cela soit peu probable, les résultats de l’ISE pourraient même nécessiter des ajustements à la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Mais avant de savoir si l’un des plus grands scientifiques qui ait jamais existé n’a pas tout compris, nous devons commencer par les notions de base.

Les faits

Les trous noirs se produisent généralement lorsqu'une étoile très massive brûle son combustible nucléaire et s'effondre de manière cataclysmique en un point incroyablement dense, ou singularité.

Lorsque le gaz, les étoiles et d’autres matières s’approchent suffisamment du trou noir, elles sont attirées vers l’horizon des événements du trou noir, une coquille imaginaire entourant la singularité. Rien qui dépasse le seuil de l’horizon des événements ne peut échapper à l’attraction gravitationnelle du trou noir. Et à mesure que la matière tombe, le trou noir devient plus massif et l'horizon des événements s'élargit.

Il s'avère que les trous noirs sont partout. Les supermassifs se trouvent au centre de la plupart des galaxies. Les trous noirs moins massifs sont beaucoup plus courants. Notre galaxie, la Voie lactée, contient probablement environ 100 millions de trous noirs, bien que nous n’en ayons identifié que quelques dizaines.

Quant à Sgr A *, il se situe à environ 26 000 années-lumière de la Terre, avec une masse quatre fois supérieure à celle du soleil. Cela rend "wimpy" par rapport à d'autres trous noirs supermassifs, dit Wardle. L’autre trou noir supermassif étudié par EHT, le Messier 87 (M87) situé au centre de la grappe de la Vierge, a une masse presque sept milliards de celle du soleil.

L'EHT a choisi les Sgr A * et M87 car ce sont les plus grands trous noirs supermassifs vus de la Terre. Ce sont les candidats les plus faciles et les plus accessibles pour les études.

Mais comment pouvons-nous prendre une photo d’un trou noir quand il est noir?

Bon point. En fait, les trous noirs sont aussi noirs que la noirceur de l'espace. Toute lumière qui entre n'échappe jamais.

Mais autour d'un trou noir, il y a de la lumière provenant d'un tourbillon lumineux de matière surchauffée qui n'est pas encore tombée dans le trou noir. Lorsque la lumière passe près de l’horizon des événements, elle se plie et se déforme sous l’effet de la gravité du trou noir.

Cette lentille de la lumière décrit une région sombre appelée l’ombre du trou noir. La taille de l'ombre devrait être deux fois et demie supérieure à celle de l'horizon des événements. La taille de l'horizon des événements est proportionnelle à la masse du trou noir. Pour Sgr A *, son diamètre est d'environ 15 millions de miles. Et le diamètre de M87, l'autre trou noir étudié par EHT, est mille fois plus grand que cela.

Vous obtenez l’image suivante: en étudiant l’ombre du trou noir, les chercheurs en EHT peuvent en savoir beaucoup sur le trou noir.

Donc techniquement parlant, les scientifiques de l’EHT ne produiront pas l’image d’un trou noir. Ils utiliseront les informations sur l'ombre pour en déduire des informations sur le trou noir.

Mais comme l’imagerie d’un trou noir n’est pas une option (du moins pas à l’heure actuelle), les scientifiques considèrent l’image de l’ombre comme une preuve concluante de l’existence d’un trou noir.

Entrez John Wardle.

Lorsque Wardle a commencé à étudier l'astrophysique à la fin des années 1960 en analysant les ondes radio émises par les galaxies, «les trous noirs n'étaient qu'une curiosité qui pouvait exister ou non», a-t-il déclaré. "C’était un domaine légèrement peu recommandable dans lequel un astronome pouvait être."

Mais quelques années plus tard, le champ explose et, comme les trous noirs alimentent des jets énergétiques émettant des ondes radio, il gravite naturellement dans leur direction (sans jeu de mots).

En tant que membre du groupe de radioastronomie Brandeis, Wardle étudie les «galaxies actives», un type relativement rare de galaxie super-lumineuse comportant des trous noirs supermassifs en leur centre.

Le réseau

Sgr A * est si petit dans le ciel que nous n’avons pas un seul télescope sur Terre capable de le voir avec suffisamment de détail pour créer une photo haute résolution.

Les scientifiques de l'EHT ont surmonté ce problème en mettant en réseau sept télescopes du monde entier à l'aide d'une technique appelée interférométrie à très longue base (VLBI). Le résultat était un «télescope virtuel» doté du pouvoir de résolution d'un télescope de la taille du diamètre de la Terre.

Pendant une semaine en avril 2017, les sept télescopes EHT enregistraient tous les signaux du Sgr A *. Sept horloges atomiques ont enregistré l'heure d'arrivée des signaux à chaque télescope.

La nature des signaux et leur arrivée à chaque télescope permettront aux scientifiques de travailler en arrière pour construire une image de Sgr A *. Cela va prendre un certain temps à compléter. Les télescopes EHT ont collecté suffisamment de données pour remplir 10 000 ordinateurs portables.

Gros jets

Wardle est particulièrement intéressé à en savoir plus sur les jets d'énergie massifs qui jaillissent des trous noirs.

Les jets se forment lorsque la matière en dehors d'un trou noir est chauffée à des milliards de degrés. Il tourne dans ce qu’on appelle le disque d’accrétion. Une partie passe le point de non retour, l’horizon des événements, et entre dans le trou noir.

Mais les trous noirs sont des mangeurs en désordre. Une partie de la matière sera recrachée sous la forme de jets collimés étroitement focalisés. Les jets voyagent à une vitesse proche de celle de la lumière pendant des dizaines de milliers d'années-lumière.

Il est possible qu’aucun jet ne provienne de Sgr * A. Il n’a pas été très actif au cours des dernières décennies.

Mais si les jets existent, les télescopes de l’EHT auront capté leurs signaux radio. Ensuite, l’équipage EHT peut utiliser ces informations pour tenter de répondre à ce que Wardle dit être les grandes questions sans réponse concernant les jets:

De quoi sont-ils composés, électrons et positrons, électrons et protons ou champs électromagnétiques?

Et maintenant, enfin, nous arrivons à Einstein

Jusqu'à tout récemment, des preuves à l'appui de la théorie de la relativité générale (GR) provenaient d'observations de notre système solaire. Mais les conditions dans notre petit point de l'univers sont assez douces. Les conditions extrêmes rencontrées près d'un trou noir vont mettre le test GR à l'épreuve ultime.

GR doit décrire avec précision la manière dont la lumière se plie lorsque l’attraction gravitationnelle massive du trou noir courbe l’espace-temps et attire tout vers lui. Les données recueillies par EHT fourniront des mesures de ce phénomène qui peuvent être comparées aux prévisions d’Einstein.

Les formules de GR suggèrent également que l’ombre portée par le disque d’accrétion autour de Sgr A * sera presque circulaire. S'il se présente sous la forme d'un œuf, cela nous indiquera également que quelque chose ne va pas avec les ressources génétiques.

Wardle pense que GR résistera aux tests. Néanmoins, il est toujours possible que les ressources génétiques «doivent être ajustées», a-t-il déclaré. «Nous serons alors dans une veste droite car nous ne pouvons pas apporter de modifications qui gâchent tous les autres éléments qui fonctionnent. Ce serait très excitant. "