Un télescope spatial pourrait révéler l’anneau de photons d’un trou noir

Différents chemins de photons créent des couches de lumière. Crédit : George Wong (UIUC) et Michael Johnson (CFA)

Malgré des décennies d’études, les trous noirs font toujours partie des objets célestes les plus puissants et les plus mystérieux jamais étudiés. En raison des forces gravitationnelles extrêmes impliquées, rien ne peut s’échapper de la surface d’un trou noir (y compris la lumière). En conséquence, l’étude de ces objets s’est traditionnellement limitée à l’observation de leur influence sur les objets et l’espace-temps à proximité. Ce n’est qu’en 2019 que la première image d’un trou noir a été capturée par l’Event Horizon Telescope (EHT).

Cet exploit a été rendu possible grâce à une technique connue sous le nom d’interférométrie à très longue base (VLBI), qui a permis aux scientifiques de voir l’anneau brillant entourant le trou noir supermassif (SMBH) au centre de la galaxie M87. Une nouvelle étude menée par une équipe internationale d’astronomes a montré comment une mission d’interférométrie spatiale pourrait révéler encore plus de secrets cachés dans le voile de l’horizon des événements d’un trou noir.

La recherche a été dirigée par Leonid Gurvits, un chercheur du Joint Institute for Very Long Baseline Interferometry European Research Infrastructure Consortium (JIVE ERIC) et de l’Université de technologie de Delft. Il a été rejoint par des chercheurs de l’Institut de radioastronomie (INAF), de l’Institut néerlandais de recherche spatiale (SRON), du Centre d’astrophysique computationnelle du Flatiron Institute, du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian (CfA), de la Black Hole Initiative et plusieurs universités et instituts de recherche.






Crédit: Astronomy Cast

Comme ils l’indiquent dans leur étude, la résolution angulaire ultra-élevée en astronomie a toujours été considérée comme une porte d’entrée vers des découvertes majeures. Dans ce processus, connu sous le nom d’interférométrie, plusieurs observatoires recueillent la lumière d’un seul objet qui serait autrement très difficile à résoudre. Ces dernières années, les astronomes se sont appuyés sur le VLBI pour détecter le rayonnement aux longueurs d’onde millimétriques et submillimétriques. Le co-auteur de l’étude, le Dr. Zsolt Paragi, un collègue chercheur de JIVE ERIC, a déclaré par e-mail : “En général, l’imagerie à haute résolution angulaire est obtenue en astronomie de trois manières : en augmentant la taille de nos télescopes, en observant la lumière à des longueurs d’onde plus courtes et en éliminant (ou du moins compensant) les perturbations causées par l’atmosphère terrestre.

“La radioastronomie a été pionnière dans le développement de techniques d’imagerie basées sur l’interférométrie, lorsque les signaux de différents télescopes à de grandes distances sont combinés de manière transparente (dans notre terminologie : de manière cohérente). Dans ce cas, le facteur ultime qui détermine le pouvoir de résolution de l’instrument est le distance entre les télescopes, que nous appelons lignes de base.”

Un bon exemple en est le télescope Event Horizon (EHT), qui a capturé la première image d’un trou noir supermassif (M87) le 10 avril 2019. Elle a été suivie en 2021 par une image de la région centrale de la galaxie Centaurus A. et le jet radio qui en émane. Cependant, ces images n’étaient guère plus que de faibles cercles, qui représentaient la lumière piégée dans l’horizon des événements SMBH – la frontière à partir de laquelle rien (même la lumière) ne peut s’échapper.

Néanmoins, l’image de M87 acquise par l’EHT constituait la première confirmation directe de l’existence de SMBH et c’était la première fois que les ombres qui l’entouraient étaient imagées. Cette image a également fourni une vue de la matière qui tombe autour du trou noir supermassif, déformée par une gravité extrêmement forte. Au cours des dernières années, a déclaré le Dr. Paragi, d’autres développements se sont produits dans le domaine du VLBI qui offrent un avant-goût de ce qui est à venir :

“Un autre résultat clé de ces dernières années a été de prouver l’origine cosmologique des éclairs radio mystérieux d’une durée d’une milliseconde que nous appelons des sursauts radio rapides. En raison de son excellente capacité d’imagerie à haute résolution, le réseau européen VLBI a fourni de loin la localisation du ciel la plus précise de ces signaux très brefs, extrêmement difficiles à capter même avec les interféromètres les plus modernes.

“Ces images de longueur d’onde centimétrique montrent non seulement de quelle galaxie proviennent les signaux, mais elles peuvent également réduire la position du signal à de petites régions de la galaxie, ce qui sera crucial pour la compréhension du phénomène.”

Un télescope spatial pourrait révéler l'anneau de photons d'un trou noir

Simulation de l’anneau de photons pour M87*. Crédit : Andrew Chael, et al

Selon la communauté astronomique, la prochaine étape logique est de capturer l’anneau de photons. Dans cette région, la force gravitationnelle est si forte que les photons sont obligés de voyager en orbite. Dans les images EHT, une grande partie de la lumière de cet anneau a été diffusée avant d’atteindre la Terre, créant les images relativement floues qui en ont résulté. Pour tirer parti de leur succès, l’EHT de nouvelle génération (ngEHT) ajoutera dix nouveaux télescopes tout en modernisant ceux qui font déjà partie du réseau.

Cependant, grâce aux réseaux VLBI spatiaux, les astronomes seront en mesure de fournir les images les plus détaillées des anneaux de photons autour des SMBH et même des horizons des événements eux-mêmes, selon le Dr. paragi. Pour les besoins de leur étude, l’équipe a abordé le potentiel d’un futur télescope spatial VLBI connu sous le nom de Terahertz Exploration and Zooming-in for Astrophysics (THEZA), qui a fait l’objet d’un livre blanc de Gurvits, Paragi et de nombreux autres membres de l’équipe qui ont rédigé ce dernier article.

Ce document a été soumis dans le cadre de l’ESA Voyage 2050, un appel ouvert à propositions de missions scientifiques de grande classe qui aura lieu dans la chronologie 2035-2050. Comme les télescopes spatiaux qui étudient le cosmos dans l’optique, l’infrarouge, les rayons X, la radio et d’autres parties du spectre, ce concept nécessite un interféromètre spatial pour étudier la physique de l’espace-temps à proximité des SMBH. en tant que dr. Paragi l’a décrit:

“Observer depuis l’espace à des longueurs d’onde très courtes, millimétriques à submillimétriques, ouvrira de nouvelles dimensions au VLBI. Les avantages d’une mission basée sur le concept THEZA sont doubles. D’une part, pouvoir descendre en dessous des longueurs d’onde de l’événement Télescope Horizon [or the ngEHT], une nouvelle population de trous noirs supermassifs serait accessible pour l’imagerie résolue de l’ombre des trous noirs, qui est obscurcie pour ces instruments. De plus, cela permettrait également des sondes uniques sur le spin des trous noirs et les propriétés de l’espace-temps.”

L’équipe a passé en revue tous les éléments du télescope, y compris les systèmes d’antenne, les récepteurs, les amplificateurs à faible bruit, les oscillateurs locaux, les mélangeurs et le transport et le traitement des données. Ils ont découvert qu’un interféromètre basé sur le concept THEZA permettrait d’atteindre les trois principaux objectifs d’une mission d’astronomie à ultra-haute résolution angulaire. En bref, il sera exempt d’interférences de l’atmosphère terrestre et observera les trous noirs à des fréquences plus élevées et des lignes de base plus longues que jamais auparavant.

Un télescope spatial pourrait révéler l'anneau de photons d'un trou noir

Illustration du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Crédit : NRAO/AUI/NSF

“En étudiant des systèmes uniques constitués de paires proches de trous noirs supermassifs, THEZA pourrait révéler des processus qui ont conduit à une croissance accélérée des trous noirs à l’aube de l’univers, qui a également eu une empreinte marquée sur l’évolution des galaxies”, a ajouté le Dr. paragi. “Plus important encore, THEZA élargira nos horizons pour la mesure détaillée de l’ombre des trous noirs. Cela se traduira par une meilleure compréhension de la gravité, ce qui est important car la gravité joue un rôle fondamental dans la formation de l’univers.”

Dans les années à venir, les observatoires de nouvelle génération s’appuieront sur des détecteurs améliorés et des technologies de transmission de données pour fournir une image encore plus détaillée de certains des objets les plus mystérieux de l’univers. Il s’agit notamment de propositions telles que le projet de télescope spatial Spektr-M, qui devrait être lancé d’ici 2030. Cet instrument sera équipé d’un miroir primaire de 10 m (33 pieds) capable d’observer le cosmos dans les longueurs d’onde submillimétriques à infrarouge lointain. .

Le télescope spatial James Webb (JWST), qui a atteint sa destination orbitale (L2) en janvier et était presque assez froid (fin avril) pour commencer ses opérations, mènera bientôt ses propres études d’interférométrie. Dans le cadre de l’instrument NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph), l’interféromètre de masquage d’ouverture (AMI) transformera la pleine ouverture des miroirs segmentés de JWST en un réseau interférométrique.

Avec les projets de la NASA de renvoyer des astronautes sur la Lune (comme dans le passé du programme Artemis) et d’autres agences spatiales se lançant dans des programmes d’exploration lunaire, il y a même des propositions pour construire des télescopes VLBI de l’autre côté de la Lune, où ils seraient libres. ou des interférences atmosphériques ou lumineuses.


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Plus d’information:
Leonid I. Gurvits et al, Le cas scientifique et les défis de l’interférométrie sous-millimétrique spatiale. arXiv:2204.09144v2 [astro-ph.IM]arxiv.org/abs/2204.09144

Fourni par Univers aujourd’hui

Citation: Un télescope spatial pourrait révéler l’anneau de photons d’un trou noir (4 mai 2022) récupéré le 5 mai 2022 sur https://phys.org/news/2022-05-space-telescope-reveal-black-hole.html

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