L'année dernière, nous avons finalement photographié un trou noir. Maintenant quoi?

Les télescopes en orbite peuvent nous aider à imaginer des trous noirs comme jamais auparavant.

Shepherd Doleman a mis près de dix ans pour accomplir l'impossible. En tant que directeur de l'Event Horizon Telescope (EHT), un projet impliquant une communauté internationale de centaines de chercheurs, il a voyagé pendant des années dans des valises remplies de disques durs à travers le monde pour coordonner les observations entre les radiotélescopes sur quatre continents, y compris l'Antarctique. Le 9 avril 2019, la coopération a finalement porté ses fruits et le monde a regardé la première image d'un trou noir .

L'exploit, que James Bardin, un pionnier-théoricien du trou noir, appelé désespéré en 1973, était une réalisation exceptionnelle de la technologie astronomique. Mais dès que le traitement des données a été terminé et que le champagne a été renversé, la collaboration EHT est devenue en quelque sorte comme un chien qui a attrapé une voiture. «Tout le monde a été surpris d'obtenir un si bon coup si vite», explique Andrew Strominger, physicien théoricien à l'Université Harvard. «Shepard et Michael [Johnson, astrophysicien Harvard-Smithsonian et coordinateur EHT], m'ont posé des questions à ce sujet. «Que ferons-nous avec cela? Nous avons pris une photo, et maintenant quoi? "

Maintenant Strominger et une équipe interdisciplinaire de chercheurs, comprenant des théoriciens, des expérimentateurs et un philosophe, sont revenus avec la réponse sauvage qui est apparue la semaine dernière dans Science Advances. Avec l'accès à un télescope assez éloigné, la collaboration EHT a pu distinguer plusieurs réflexions de lumière circulant autour d'un trou noir. En analysant les motifs exacts de ces rayons intriqués, les astronomes pourraient mesurer directement les propriétés de base des trous noirs et tester la théorie de la gravité d'Einstein comme jamais auparavant. En fait, ils espèrent que les trous noirs deviendront plus comme des étoiles et des planètes: non seulement des objets de réflexion, mais d'observation directe.

"Ce sont des objets qui pour moi n'étaient que des équations que j'ai essayé de visualiser mathématiquement dans mon esprit", a déclaré Alex Lupsaska , un théoricien de Harvard qui a travaillé sur la recherche. "Mais maintenant, nous avons leurs vraies photos."

L'équipe a effectué des calculs à l'aide d'un crayon et de papier, basés sur la théorie de la relativité d'Einstein et la simulation d'une résolution sans précédent, pour analyser ce que les trous noirs font avec la lumière. Attention spoiler!: Quelque chose d'étrange s'est produit. «Les trous noirs, ils sont tout simplement les meilleurs dans tout ce qu'ils font», explique Lupsaska. Et cela inclut le pliage des rayons lumineux en boucles.

En tant qu'objets les plus denses qui suivent les lois de la physique, les trous noirs ont une énorme attraction cosmique, et les physiciens savent depuis longtemps que l'abîme est caché dans les enveloppes de lumière. Là où la Terre peut attirer le pavé cosmique qui passe - le tirant sur plusieurs orbites avant de retourner dans l'espace - les trous noirs peuvent capturer de vraies particules de lumière. Tout ce qui s'écrase dans un trou noir reste coincé pour toujours, mais les photons qui glissent étroitement le long de la frontière peuvent faire plusieurs révolutions autour du trou noir. «C'est la nature déformée et« hurlante »de l'espace-temps», explique Lupsaska.

Strominger, Lupsaska et leurs collègues ont calculé avec précision la structure spécifique de l'enveloppe lumineuse et son aspect lors de son observation depuis la Terre.

Voici comment ça fonctionne. Lorsque les rayons de lumière approchent d'un trou noir, sa gravité terrifiante les met en orbite. Les rayons qui passent à une certaine distance font demi-tour autour d'un trou noir avant d'aller dans l'espace. Les rayons qui se rapprochent un peu peuvent faire un tour complet avant de revenir d'où ils viennent. Les rayons qui passent plus près peuvent encore faire un et deux tours, les deux autres tours et ainsi de suite. Chacun de ces groupes infinis de rayons lumineux peut former une image (lorsqu'ils frappent l'appareil photo ou le globe oculaire), un trou noir peut donc créer un nombre infini de telles images. Strominger compare cet effet étrange à la façon dont vous vous tiendriez entre deux miroirs dans un grand magasin et voyez comment vos réflexions s'étirent plus loin.

"Dans un monde idéal avec un télescope parfait, vous regarderiez un trou noir et verriez non seulement un nombre infini d'images incorporées dans d'autres, mais l'univers entier", dit-il.

Mais l'EHT, comme tous les télescopes, n'est pas parfait. Ce n'est même pas un télescope, mais un interféromètre technique. Les interféromètres fonctionnent en comparant les observations d'un point éloigné de deux endroits différents. Plus les lieux sont éloignés les uns des autres, plus les caractéristiques de l'objet qu'ils peuvent attraper sont subtiles. Alors que les réflexions successives des trous noirs (qui peuvent apparaître comme des anneaux pour l'observateur) deviennent de plus en plus minces, les astronomes doivent utiliser des observatoires plus éloignés pour les voir.

Pour détecter les anneaux réfléchissants, l'EHT devra aller encore plus loin. Au final, les auteurs de l'étude concluent que la collaboration devrait ajouter un observatoire spatial à leur réseau. Un seul doit le faire. Un satellite en orbite autour de la Terre peut clairement identifier le premier anneau, ou un véhicule en orbite autour de la lune peut voir le second. S'ils pouvaient amener le vaisseau spatial à l'endroit entre la Terre et le Soleil, connu comme le deuxième point de Lagrange (la destination du futur télescope spatial James Webb), ils pourraient identifier les trois premiers anneaux. Une telle mission peut coûter plusieurs centaines de millions de dollars - cher, mais pas aussi cher que les plus grands projets scientifiques. «C'est quelque chose qu'un jour quelqu'un fera», explique Lupsaska. "C'est une question de temps."

Avec cette pile d'argent, les astrophysiciens achèteront beaucoup de connaissances sur le trou noir. L'observation des anneaux servirait immédiatement de premier test de la théorie générale de la relativité dans un milieu avec une gravité suffisamment forte pour plier les rayons lumineux en boucles complètes. Le rétrécissement des anneaux est très précis, donc toute déviation signalera que quelque chose d'étrange se produit. «Il n'y a pas de marge de manœuvre», explique Lupsaska. "Vous allez là-bas et prenez une mesure, et cela correspond à la théorie ou non."

Un petit nombre de théoriciens s'attendent à la destruction de la théorie la plus réussie d'Einstein. Au contraire, ils sont plus excités que les anneaux puissent prouver l'existence de deux trous noirs suffisamment proches pour recevoir l'image de cette manière. Les astronomes ont plusieurs façons de mesurer les propriétés de base d'un trou noir, telles que sa masse et sa rotation, mais ils doivent faire beaucoup d'hypothèses pour étudier cela. Le motif des anneaux ne dépend que d'un trou noir - qui n'a rien à voir avec le plasma lumineux et les débris voisins - de telles observations pourraient fournir aux physiciens un moyen plus clair de répondre à leurs questions les plus fondamentales sur ces objets mystérieux.

Et cette analyse n'est qu'un début. Après la présentation des travaux l'été dernier (en prévision d'une évaluation d'expert), il a provoqué une vague de recherches ultérieures, car les physiciens étaient pressés de développer cette théorie. «Il est souligné qu'il y a de nombreux détails intéressants que nous n'avons pas encore explorés, et ils nous ont inspiré de nouvelles études possibles», explique Elizabeth Himwich , une étudiante diplômée de Harvard qui a analysé comment le type de lumière alterne d'un anneau à l'autre .

Lupsaska compare les efforts à faire dans les phases initiales par l'exemple de la biologie. «Avant de vouloir comprendre comment organiser l'ADN et utiliser des répétitions palindromiques courtes en grappe pour copier et éditer l'ADN, vous allez d'abord dans la forêt et spécifiez:« C'est un arbre, c'est une fleur », dit-il. "C'est ici que nous sommes dans le domaine de la physique dans l'étude des trous noirs en tant que science expérimentale."