L’étude des trous noirs a énormément progressé ces dernières années. En 2015, les premières ondes gravitationnelles ont été observées par des scientifiques du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Cette découverte a confirmé ce qu’Einstein avait prédit un siècle auparavant avec la relativité générale et a offert un nouvel aperçu des fusions de trous noirs. En 2019, des scientifiques de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) ont partagé la première image d’un trou noir supermassif (SMBH), qui réside au centre de la galaxie M87.
Plus tôt ce mois-ci, l’EHT a annoncé avoir également acquis la première image du Sagittaire A*, le trou noir au centre de la Voie Lactée. Et juste à temps pour la Black Hole Week (2 maind au 6 maie), une paire de chercheurs de l’Université de Columbia a annoncé une nouvelle façon potentiellement plus facile d’étudier les trous noirs. En particulier, leur méthode pourrait permettre l’étude de trous noirs plus petits que M87* dans des galaxies plus lointaines que la galaxie M87.
Cette nouvelle méthode d’imagerie a été développée par Zoltán Haiman (professeur d’astronomie à l’Université de Columbia) et Jordy Davelaar, astrophysicien théoricien à Columbia, au Flatiron Institute de New York, et membre de la collaboration EHT. Leur méthode a été décrite dans des études complémentaires parues récemment dans Lettres d’examen physique et Examen physique D. Comme ils l’indiquent dans ces articles, leur technique combine deux techniques – l’interférométrie et la lentille gravitationnelle.
Supprimer toutes les annonces sur l’univers aujourd’hui
Rejoignez notre Patreon pour aussi peu que 3 $ !
Obtenez l’expérience sans publicité pour la vie
La première technique consiste à utiliser plusieurs instruments pour capturer la lumière de sources distantes, puis à la combiner pour créer une image composite. Cette technique a permis à la collaboration EHT de capturer des images des anneaux lumineux entourant M87* et Sagittarius A* (entre autres objets). Dans ce dernier cas, la force gravitationnelle d’un objet massif (comme un trou noir ou une galaxie) est utilisée pour agrandir et améliorer la lumière d’un objet plus éloigné.
Comme l’expliquent Haiman et Davelaar, en visualisant un système de trous noirs binaires sur le bord lorsque l’un passe devant l’autre (aka. Transits), les astronomes pourront utiliser la force gravitationnelle du BH le plus proche pour agrandir le disque brillant du plus un lointain. Cependant, ces observations révéleront également une autre caractéristique intéressante. Au fur et à mesure que deux BH passent l’un devant l’autre, ont déclaré Haiman et Davelaar, il y aura une baisse distinctive de la luminosité correspondant à «l’ombre» du trou noir le plus éloigné.
Selon la masse des trous noirs et la proximité de leurs orbites, ces creux peuvent durer de quelques heures à quelques jours. La longueur du pendage peut également être utilisée pour estimer la taille et la forme de l’ombre projetée par l’horizon des événements BHs, le point auquel rien ne peut échapper à sa force gravitationnelle (pas même la lumière). Comme Davelaar l’a expliqué dans un récent communiqué de Columbia News :
« Il a fallu des années et un effort considérable de la part de dizaines de scientifiques pour créer cette image haute résolution des trous noirs de M87. Cette approche ne fonctionne que pour les trous noirs les plus grands et les plus proches – la paire au cœur de M87 et potentiellement notre propre Voie lactée. [W]Avec notre technique, vous mesurez la luminosité des trous noirs dans le temps, vous n’avez pas besoin de résoudre spatialement chaque objet. Il devrait être possible de trouver ce signal dans de nombreuses galaxies.”
Comme l’a ajouté Haiman, l’ombre d’un trou noir est sa caractéristique la plus mystérieuse et la plus informative. “Cette tache sombre nous renseigne sur la taille du trou noir, la forme de l’espace-temps qui l’entoure et comment la matière tombe dans le trou noir près de son horizon”, a-t-il déclaré. Haiman et Davelaar se sont intéressés à ce phénomène après que Haiman et une équipe de collègues aient détecté une paire présumée de trous noirs supermassifs (“Spikey”) en 2020 au centre d’une galaxie qui existait au début de l’Univers.
La découverte s’est produite alors que l’équipe examinait les données du Télescope spatial Kepler pour surveiller les étoiles distantes pour de minuscules baisses de luminosité, qui sont utilisées pour confirmer la présence d’exoplanètes en transit (alias la méthode de transit). Au lieu de cela, le Kepler les données ont montré des indications que l’effet de torchage était causé par une paire de trous noirs en transit qui étaient visibles par la tranche. Le surnom était dû aux pics de luminosité déclenchés par l’effet de lentille présumé des trous noirs lorsqu’ils passaient l’un devant l’autre.
Pour en savoir plus sur l’éruption, Haiman a demandé l’aide de son postdoc (Davelaar) pour construire un modèle pour cet effet de torche. Bien que le modèle ait confirmé les pics, il a également révélé une baisse périodique de la luminosité qu’ils ne pouvaient pas expliquer. Après avoir éliminé la possibilité que cela résultait d’erreurs dans le modèle, ils ont déterminé que le signal était réel et ont commencé à rechercher un mécanisme physique qui pourrait l’expliquer. Finalement, ils ont réalisé que chaque creux correspondait étroitement au temps qu’il fallait aux BH pour effectuer des transits par rapport à l’observateur.
La détection de cette ombre pourrait avoir d’immenses implications pour les astrophysiciens et les physiciens quantiques. Les astrophysiciens ont recherché ces ombres dans le cadre d’un effort continu pour tester la relativité générale dans les conditions et les environnements les plus extrêmes. Ces tests pourraient conduire à une nouvelle compréhension de la manière dont la gravité et les forces quantiques interagissent, ce qui permettrait aux physiciens de comprendre enfin comment les quatre forces fondamentales de la nature fonctionnent ensemble – électromagnétique, forces nucléaires faibles, forces nucléaires fortes et gravité.
Pendant des décennies, les scientifiques ont compris comment fonctionnent trois des forces qui régissent toutes les interactions matière-énergie. Alors que la relativité générale décrit comment la gravité (la plus faible des quatre forces) fonctionne par elle-même, tous les efforts pour trouver un moyen de l’expliquer en termes quantiques ont échoué. En conséquence, une théorie de la «gravité quantique», ou théorie du tout (ToE), a échappé même aux plus grands esprits scientifiques. Cela inclut Einstein et Stephen Hawking, qui ont consacré la majeure partie de sa carrière scientifique à en trouver un.
En attendant, Haiman et Davelaar recherchent actuellement d’autres données de télescope pour confirmer le Kepler observations et vérifier que “Spikey” abrite vraiment une paire de trous noirs fusionnés. Si et quand leur technique est confirmée, elle sera probablement appliquée aux 150 paires approximatives de SMBH fusionnantes qui ont été observées mais attendent toujours une confirmation. Dans les années à venir, des télescopes de nouvelle génération seront mis en ligne, ce qui offrira davantage d’opportunités de tester cette technique.
Les exemples incluent l’observatoire Vera C. Rubin, un télescope massif au Chili dont l’ouverture est prévue plus tard cette année. Une fois opérationnel, Rubin mènera l’enquête de 10 ans sur l’espace et le temps (LSST) qui comprendra l’observation de plus de 100 millions de SMBH. D’ici 2030, l’antenne spatiale d’interférométrie laser de la NASA, un détecteur d’ondes gravitationnelles basé dans l’espace, sera également mise en ligne et offrira encore plus d’opportunités pour étudier la fusion des trous noirs. Avec autant de candidats disponibles pour l’étude, les scientifiques ne devraient pas avoir à attendre trop longtemps pour une percée.
“Même si seule une infime fraction de ces binaires de trous noirs a les bonnes conditions pour mesurer notre effet proposé, nous pourrions trouver bon nombre de ces creux de trous noirs”, a déclaré Davelaar.
Lectures complémentaires : Nouvelles de la Colombie