Scientifique du trou noir : “Où que nous regardions, nous devrions voir des beignets”

Par Daniel Stolte, Communications universitaires

Jeudi

Découvrir quelque chose pour la deuxième fois ne fait généralement pas sauter les scientifiques de leur siège avec enthousiasme. Mais c’est exactement ce qui s’est passé dans le cas de Sgr A* (prononcé “sadge-ay-star”), le deuxième trou noir imagé.

En 2019, l’image de M87*, un trou noir supermassif dans une galaxie à plus de 50 millions d’années-lumière de la Terre, a fait la couverture de pratiquement tous les médias du monde. C’était la première fois qu’une image d’un trou noir était prise. Jeudi, la collaboration Event Horizon Telescope a présenté la deuxième image d’un tel objet – cette fois d’un trou noir situé au centre de notre propre Voie lactée.

Pour l’observateur occasionnel, les deux images d’un anneau lumineux orange entourant une ombre noire semblent presque impossibles à distinguer. Pourtant, c’est précisément ce fait qui émerveille les astrophysiciens.

“J’aimerais pouvoir dire que lorsque nous avons obtenu la première image d’un trou noir il y a trois ans, cela ne s’est pas amélioré, mais c’est en fait mieux”, a déclaré un membre du Conseil scientifique de l’EHT. Feryal Özel, professeur d’astronomie et de physique et doyen associé pour la recherche au Steward Observatory de l’UArizona College of Science. “Nous voyons un anneau lumineux entourant l’obscurité totale, le signe révélateur d’un trou noir. Maintenant, nous pouvons confirmer que nous regardons directement le point de non-retour.”

Une histoire d’amour trou noir

Özel a déclaré qu’elle était “tombée amoureuse” de Sgr A* il y a 20 ans. Elle était alors étudiante diplômée, travaillant sur sa thèse à l’Université de Harvard, lorsqu’elle a décidé de relever un défi auquel peu de gens jugeaient possible de penser : que faudrait-il, se demandait-elle, pour regarder directement un trou noir ? Que verrions-nous ? Verrions-nous quelque chose ?

Ses recherches ont abouti à un article fondateur, qu’elle a publié en 2000 avec Dimitrios Psaltisprofesseur d’astronomie et de physique à l’UArizona et chercheur principal de l’international Projet PIRE Trou noir† Dans cet article et un article de suivi publié en 2001, elle a identifié M87*, le premier trou noir jamais imagé, et Sgr A* comme les deux trous noirs idéaux qui présentaient même une faible chance de se faire prendre en photo. Cela a contribué à jeter les bases d’un observatoire de la taille de la Terre qui est maintenant le télescope Event Horizon.

Parce que M87* est 1 500 fois plus massive mais 2 000 fois plus éloignée que Sgr A*, les deux semblent à peu près de taille égale dans le ciel. Mais malgré le fait qu’ils semblent presque identiques, ce sont des bêtes entièrement différentes.

M87* possède une masse de 6 milliards de soleils et est d’une taille gargantuesque. L’ensemble de notre système solaire rentrerait dans son horizon des événements, également connu sous le nom de point de non-retour d’un trou noir. Sgr A*, situé à seulement 25 000 années-lumière de la Terre, est chétif en comparaison. À “seulement” 4 millions de masses solaires, il est suffisamment petit pour tenir dans l’orbite de Mercure, la planète la plus proche du soleil. Si les deux trous noirs étaient alignés pour une séance photo, M87* remplirait le cadre, tandis que Sgr A* disparaîtrait entièrement. Et tandis que M87* dévore voracement la matière environnante, peut-être des étoiles entières, et lance un jet de particules énergétiques qui brûle à travers sa galaxie, l’appétit de Sgr A* est minime en comparaison ; si c’était une personne, elle consommerait l’équivalent d’un grain de riz tous les millions d’années, selon les chercheurs.

L’une des prédictions les plus fondamentales de la théorie de la gravité d’Einstein, a déclaré Psaltis, est que l’image d’un trou noir n’évolue qu’avec sa masse. Un trou noir 1 000 fois plus petit en masse qu’un autre aura une image très similaire qui sera juste 1 000 fois plus petite. Il n’en va pas de même pour les autres objets, a expliqué Psaltis.

“En général, les petites choses sont généralement très différentes des grandes choses, et ce n’est pas une coïncidence”, a-t-il déclaré. “Il y a une bonne raison pour laquelle une fourmi et un éléphant sont très différents, car l’un a beaucoup plus de masse à supporter que l’autre.”

En d’autres termes, les lois d’échelle de la nature dictent que lorsque deux entités sont de tailles très différentes, elles ont généralement un aspect différent l’une de l’autre. Les trous noirs, en revanche, évoluent sans changer d’apparence. S’ils étaient des éléphants, ils ressembleraient tous à des éléphants, qu’ils soient aussi gros qu’un éléphant typique ou aussi minuscules qu’une fourmi.

Leur simplicité absolue est ce qui rend les deux images de trous noirs si importantes, a expliqué Psaltis, car elles confirment ce qui jusqu’à présent n’avait été prédit que par la théorie : elles semblent être les seuls objets existants qui ne répondent qu’à une seule loi de la nature : la gravité.

“Le fait que la lumière apparaisse comme un anneau, avec l’ombre noire à l’intérieur, vous indique que c’est purement de la gravité”, a déclaré Psaltis. “Tout est prédit par la théorie de la relativité générale d’Einstein, la seule théorie du cosmos qui ne se soucie pas de l’échelle.”

Si les scientifiques pouvaient photographier un très petit trou noir d’environ 10 masses solaires – ce qui n’est pas possible, car même l’EHT de la taille de la Terre n’a pas le pouvoir de résolution nécessaire – et comparez-le à M87*, qui a 6 milliards de fois la masse du soleil, les deux se ressembleraient beaucoup, selon Hautsaltis.

†Où que nous regardions, nous devrions voir des beignets, et ils devraient tous se ressembler plus ou moins”, a-t-il déclaré, “et la raison pour laquelle c’est important – outre le fait que cela confirme notre prédiction – c’est que personne n’aime ça. En physique, nous avons tendance à ne pas aimer un monde où les choses n’ont pas de point d’ancrage, d’échelle définie.”

Les « trous noirs de Boucle d’or »

Les trous noirs sont des objets tellement extraterrestres que même Albert Einstein a eu du mal à concilier leur existence. Leur attraction gravitationnelle est si forte que même la lumière ne peut s’en échapper, ce qui les rend impossibles à voir par définition. La seule raison pour laquelle les astronomes ont pu prendre ces photos est qu’ils ont utilisé des radiotélescopes qui détectent les ondes électromagnétiques émises par le gaz tourbillonnant autour du trou noir.

†Si vous étiez dans l’espace en train de regarder le trou noir, vous ne verriez absolument rien”, a déclaré Özel. “La lueur est dans des longueurs d’onde que l’œil ne peut pas voir.”

C’est pourquoi M87* et Sgr A* ont été identifiés comme les seules cibles réalisables pour le télescope Event Horizon dans la publication qu’Özel et Psaltis ont rédigée il y a plus de 20 ans.

“On pourrait dire que les deux sont des” boucles d’or de trous noirs “”, a déclaré Özel. “Leurs environnements sont parfaits, et c’est pourquoi nous pouvons les voir.”

Pour des astrophysiciens comme Özel et Psaltis, les trous noirs sont des laboratoires naturels qui leur permettent de tester la relativité générale et peuvent même les rapprocher d’une théorie unifiant la gravité à la mécanique quantique, qui jusqu’à présent est restée insaisissable.

“L’accès à l’image n’a pas été un voyage facile”, a déclaré Özel, qui est membre du Conseil scientifique de l’EHT depuis sa création et qui a dirigé le groupe de modélisation et d’analyse. Il a fallu une collaboration mondiale, plusieurs années, des pétaoctets de données et des algorithmes plus complexes que ceux qui avaient été consacrés à la plupart des projets scientifiques auparavant, pour analyser et confirmer l’image finale de Sgr A*.

À l’avenir, la collaboration EHT s’intéresse particulièrement à la façon dont les trous noirs changent au fil du temps, a déclaré Özel.

“Si vous regardiez la source un jour par rapport au lendemain, ou une année par rapport à l’année suivante, comment cela changerait-il et quelle quantité de lumière émettrait-elle dans différentes longueurs d’onde?” dit-elle. “Que pourrions-nous prédire à ce sujet ? Et comment pourrions-nous utiliser nos observations pour comprendre l’environnement de ce trou noir ?

“L’un des points clés de cet effort de collaboration”, a déclaré Özel, “est de tester la relativité générale et de découvrir où se trouve sa limite, s’il y en a une.”