L'idée des trous noirs remonte à 1783, lorsque le scientifique de Cambridge, John Michell, s'est rendu compte qu'un objet suffisamment massif dans un espace suffisamment petit pouvait attirer même la lumière sans la laisser s'échapper. Plus d'un siècle plus tard, Karl Schwarzschild a trouvé une solution exacte à la théorie générale de la relativité d'Einstein, qui prédit le même résultat: un trou noir. Michell et Schwarzschild ont prédit une connexion claire entre l'horizon des événements, ou le rayon de la région d'où la lumière ne peut pas s'échapper, et la masse du trou noir.
Pendant 103 ans après la prédiction de Schwarzschild, cela n'a pas pu être vérifié. Et ce n'est que le 10 avril 2019 que les scientifiques ont découvert la toute première photographie de l'horizon des événements. La théorie d'Einstein a fonctionné à nouveau, comme toujours.
Même si nous en savions déjà pas mal sur les trous noirs, avant même le premier instantané de l'horizon des événements, cela a beaucoup changé et clarifié. Nous avions beaucoup de questions qui ont maintenant des réponses.
Le 10 avril 2019, la collaboration Event Horizon Telescope a présenté le premier instantané réussi de l'horizon des événements du trou noir. Ce trou noir est situé à Messier 87: la galaxie la plus grande et la plus massive de notre superamas local de galaxies. Le diamètre angulaire de l'horizon des événements était de 42 secondes de micro-arc. Cela signifie qu'il faut 23 quadrillions de trous noirs de la même taille pour couvrir tout le ciel.
À 55 millions d'années-lumière, la masse estimée du trou noir est 6,5 milliards de fois celle du Soleil. Physiquement, cela correspond à une taille supérieure à la taille de l'orbite de Pluton autour du Soleil. S'il n'y avait pas de trou noir, il faudrait environ une journée à la lumière pour traverser le diamètre de l'horizon des événements. Et seulement parce que:
- le télescope de l'horizon des événements a une résolution suffisante pour voir ce trou noir
- le trou noir émet fortement des ondes radio
- très peu d'ondes radio en arrière-plan pour interférer avec le signal
nous avons pu obtenir ce premier cliché. Dont nous avons maintenant tiré dix leçons profondes.
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Nous avons appris à quoi ressemble un trou noir. Et après?
C'est vraiment un trou noir, comme le prédit la relativité générale. Si vous avez déjà vu un article intitulé «le théoricien affirme hardiment que les trous noirs n'existent pas» ou «cette nouvelle théorie de la gravité pourrait renverser Einstein», vous pensez que les physiciens n'auront aucun problème à proposer des théories alternatives. Même si la relativité générale a passé tous les tests auxquels nous l'avons soumise, les physiciens ne manquent pas d'extensions, de remplacements ou d'alternatives possibles.
Et l'observation d'un trou noir en exclut un grand nombre. Nous savons maintenant qu'il s'agit d'un trou noir, pas d'un trou de ver. Nous savons que l'horizon des événements existe et qu'il ne s'agit pas d'une singularité nue. Nous savons que l'horizon des événements n'est pas une surface solide, car la matière qui tombe doit émettre une signature infrarouge. Et toutes ces observations sont cohérentes avec la relativité générale.
Cependant, cette observation ne dit rien sur la matière noire, les théories les plus modifiées de la gravité, de la gravité quantique ou de ce qui se cache derrière l'horizon des événements. Ces idées dépassent la portée des observations de l'ISE.
La dynamique gravitationnelle des étoiles donne de bonnes estimations pour les masses d'un trou noir; observation de gaz - non. Avant la première image d'un trou noir, nous avions plusieurs façons différentes de mesurer les masses de trous noirs.
Nous pourrions soit utiliser des mesures d'étoiles - comme les orbites individuelles d'étoiles près d'un trou noir dans notre propre galaxie, ou des raies d'absorption d'étoiles dans M87 - qui nous ont donné une masse gravitationnelle, ou des émissions de gaz qui se déplacent autour du trou noir central.
Pour notre galaxie et M87, ces deux estimations étaient très différentes: les estimations gravitationnelles étaient de 50 à 90% plus élevées que les estimations gazeuses. Pour M87, les mesures de gaz ont montré que le trou noir comptait 3,5 milliards de soleils et les mesures gravitationnelles étaient plus proches de 6,2 à 6,6 milliards. Mais les résultats de l'EHT ont montré que le trou noir a 6,5 milliards de masses solaires, ce qui signifie, la dynamique gravitationnelle est un excellent indicateur des masses de trous noirs, mais les conclusions du gaz se déplacent vers des valeurs plus basses. C'est une excellente occasion de revoir nos hypothèses astrophysiques sur le gaz orbital.
Ce devrait être un trou noir en rotation, et son axe de rotation s'éloigne de la Terre. À travers des observations de l'horizon des événements, des émissions radio autour de lui, un jet à grande échelle et des émissions radio étendues mesurées par d'autres observatoires, l'EHT a déterminé qu'il s'agissait d'un trou noir de Kerr (en rotation), et non d'un trou noir de Schwarzschild (non en rotation).
Il n'y a pas une seule caractéristique simple d'un trou noir que nous pourrions étudier pour déterminer cette nature. Au lieu de cela, nous devons construire des modèles du trou noir lui-même et de la matière extérieure, puis les développer pour comprendre ce qui se passe. Lorsque vous recherchez des signaux possibles qui pourraient émerger, vous avez la possibilité de les limiter afin qu'ils soient cohérents avec vos résultats. Ce trou noir doit tourner, et l'axe de rotation pointe de la Terre à environ 17 degrés.
Nous avons finalement pu déterminer qu'il y avait du matériel autour du trou noir, correspondant aux disques d'accrétion et aux ruisseaux. Nous savions déjà que M87 avait un jet - à partir d'observations optiques - et qu'il émettait également dans les gammes radio et rayons X. Ce type de rayonnement ne peut pas être obtenu uniquement à partir d'étoiles ou de photons: vous avez besoin de matière, ainsi que d'électrons. Ce n'est qu'en accélérant les électrons dans un champ magnétique que nous pouvons obtenir l'émission radio caractéristique que nous avons vue: le rayonnement synchrotron.
Et cela a également demandé une quantité incroyable de travail de modélisation. En modifiant tous les paramètres possibles de tous les modèles possibles, vous apprendrez que ces observations nécessitent non seulement des flux d'accrétion pour expliquer les résultats radio, mais aussi nécessairement prédire les résultats non liés aux ondes radio, comme les rayons X. Les observations les plus importantes ont été faites non seulement par l'EHT, mais aussi par d'autres observatoires tels que le télescope à rayons X Chandra. Les flux d'accrétion devraient s'échauffer, comme en témoigne le spectre des émissions magnétiques de M87, conformément aux électrons d'accélération relativistes dans un champ magnétique.
L'anneau visible montre la force de gravité et la lentille gravitationnelle autour du trou noir central; et encore une fois la relativité générale a été testée. Cet anneau dans la portée radio ne correspond pas à l'horizon des événements lui-même et ne correspond pas à l'anneau de particules en rotation. Et ce n'est pas non plus l'orbite circulaire la plus stable d'un trou noir. Non, cet anneau provient d'une sphère de photons à lentilles gravitationnelles dont les chemins sont courbés par la gravité du trou noir sur leur chemin vers nos yeux.
Cette lumière se plie dans une sphère plus grande que ce à quoi on pourrait s'attendre si la gravité n'était pas aussi forte. Comme l'écrit Event Horizon Telescope Collaboration:
"Nous avons constaté que plus de 50% du flux total en secondes d'arc passe près de l'horizon et que ce rayonnement est fortement supprimé lorsqu'il atteint cette région, d'un facteur 10, ce qui est une preuve directe de l'ombre prédite d'un trou noir."
La théorie générale de la relativité d'Einstein s'est avérée une fois de plus correcte.
Les trous noirs sont des phénomènes dynamiques, leur rayonnement change avec le temps. Avec une masse de 6,5 milliards de soleils, il faudra environ une journée à la lumière pour traverser l'horizon des événements du trou noir. Cela définit à peu près le laps de temps dans lequel nous pouvons nous attendre à voir des changements et des fluctuations dans les émissions observées par l'EHT.
Même des observations qui ont duré plusieurs jours nous ont permis de confirmer que la structure du rayonnement émis évolue avec le temps, comme prévu. Les données de 2017 contiennent quatre nuits d'observations. Même en regardant ces quatre images, vous pouvez voir visuellement que les deux premières ont des caractéristiques similaires et les deux dernières également, cependant, il existe des différences significatives entre la première et la dernière. En d'autres termes, les propriétés du rayonnement autour d'un trou noir dans M87 changent avec le temps.
EHT révélera à l'avenir l'origine physique des explosions de trous noirs. Nous avons vu, dans les bandes radiographiques et radio, qu'un trou noir au centre de notre propre Voie lactée émet de courtes rafales de rayonnement. Bien que la toute première image de trou noir présentée montre un objet supermassif dans M87, le trou noir de notre galaxie - Sagittaire A * - sera tout aussi grand, ne changeant que plus rapidement.
Par rapport à la masse de M87 - 6,5 milliards de masses solaires - la masse du Sagittaire A * ne sera que de 4 millions de masses solaires: 0,06% de la première. Cela signifie que les fluctuations ne seront plus observées pendant la journée, mais même en une minute. Les caractéristiques du trou noir changeront rapidement, et lorsqu'une épidémie se produit, nous pouvons révéler sa nature.
Comment les fusées éclairantes sont-elles liées à la température et à la luminosité de l'image radio que nous avons vue? Y a-t-il une reconnexion magnétique, comme dans les éjections de masse coronale de notre Soleil? Y a-t-il quelque chose qui éclate dans les flux d'accrétion? Sagittaire A * clignote quotidiennement, nous pourrons donc associer tous les signaux nécessaires à ces événements. Si nos modèles et nos observations sont aussi bons qu'ils l'étaient pour M87, nous pourrons peut-être déterminer ce qui motive ces événements et peut-être même savoir ce qui tombe dans le trou noir, les créant.
Des données de polarisation émergeront, révélant si les trous noirs ont leur propre champ magnétique. Alors que nous étions tous vraiment heureux de voir le premier instantané de l'horizon des événements d'un trou noir, il est important de comprendre qu'une image complètement unique émergera bientôt: la polarisation de la lumière émanant d'un trou noir. En raison de la nature électromagnétique de la lumière, son interaction avec le champ magnétique y imprimera une signature de polarisation particulière, nous permettant de reconstruire le champ magnétique du trou noir, ainsi que son évolution dans le temps.
Nous savons que la matière en dehors de l'horizon des événements, étant essentiellement des particules chargées en mouvement (comme des électrons), génère son propre champ magnétique. Les modèles indiquent que les lignes de champ peuvent soit rester dans les courants d'accrétion, soit traverser l'horizon des événements, formant une sorte d '«ancrage» dans le trou noir. Il existe un lien entre ces champs magnétiques, l'accrétion et la croissance des trous noirs et les jets. Sans ces champs, la matière en flux d'accrétion ne pourrait pas perdre son moment cinétique et tomber dans l'horizon des événements.
Les données de polarisation, grâce à la puissance de l'imagerie polarimétrique, nous le diront. Nous avons déjà les données: il reste à effectuer une analyse complète.
L'amélioration du télescope Event Horizon révélera la présence d'autres trous noirs à proximité des centres galactiques. Lorsqu'une planète tourne autour du Soleil, ce n'est pas seulement dû au fait que le Soleil a un effet gravitationnel sur la planète. Il y a toujours une réaction égale et opposée: la planète affecte le soleil. De même, lorsqu'un objet tourne autour d'un trou noir, il exerce également une pression gravitationnelle sur le trou noir. En présence de tout un ensemble de masses près des centres des galaxies - et, en théorie, de nombreux trous noirs invisibles jusqu'à présent - le trou noir central devrait littéralement trembler à sa place, étant séparé par le mouvement brownien des corps environnants.
L'astuce pour effectuer cette mesure aujourd'hui est que vous avez besoin d'un point de référence pour calibrer votre position par rapport à l'emplacement du trou noir. La technique pour une telle mesure suppose que vous regardiez le calibrateur, puis la source, de nouveau le calibrateur, de nouveau à la source, etc. Dans le même temps, vous devez déplacer votre regard très rapidement. Malheureusement, l'atmosphère change très rapidement et beaucoup de choses peuvent changer en 1 seconde, vous n'aurez donc tout simplement pas le temps de comparer deux objets. En tout cas, pas avec la technologie moderne.
Mais la technologie dans ce domaine se développe incroyablement vite. Les outils utilisés sur l'EHT sont en attente de mise à jour et pourraient atteindre la vitesse requise d'ici le milieu des années 2020. Ce casse-tête pourrait être résolu d'ici la fin de la prochaine décennie, grâce à une instrumentation améliorée.
Enfin, Event Horizon Telescope verra éventuellement des centaines de trous noirs. Pour démonter un trou noir, la résolution du réseau de télescopes doit être meilleure (c'est-à-dire haute résolution) que la taille de l'objet que vous recherchez. Actuellement, l'EHT ne peut distinguer que trois trous noirs connus dans l'Univers avec un diamètre suffisamment grand: Sagittaire A *, le centre de M87, le centre de la galaxie NGC 1277.
Mais nous pouvons augmenter la puissance de l'œil du télescope Event Horizon à la taille de la Terre si nous lançons les télescopes en orbite. En théorie, cela est déjà techniquement réalisable. L'augmentation du nombre de télescopes augmente le nombre et la fréquence des observations, ainsi que la résolution.
En apportant les améliorations nécessaires, au lieu de 2-3 galaxies, nous pourrons trouver des centaines de trous noirs voire plus. L'avenir des albums photo de trous noirs s'annonce radieux.
Le projet Event Horizon Telescope était coûteux, mais il a payé. Aujourd'hui, nous vivons à l'ère de l'astronomie des trous noirs et avons enfin pu les observer de nos propres yeux. Ce n'est que le début.
Ilya Khel