Le plus gros objet de notre ciel nocturne - de loin! - nous est invisible. L’objet est le trou noir super-massif (SMBH) au centre de notre galaxie de la Voie lactée, appelé Sagittaire A. Mais nous pourrons bientôt avoir une image de l’horizon des événements du Sagittaire A. Et cette image peut poser un défi à la théorie d'Einstein de la relativité générale.
Personne n'a jamais vu l'horizon des événements d'un trou noir. La traction gravitationnelle intense empêche tout, même la lumière, de s'échapper. L'horizon des événements est le point de non-retour. Peu importe, pas de lumière et aucune information ne peut s'échapper. Mais nous pouvons être sur le point d’obtenir une image de l’horizon des événements du Sagittaire A, grâce au télescope Event Horizon (EHT).
L'EHT est une collaboration internationale conçue pour enquêter sur l'environnement immédiat d'un trou noir. Ce n'est pas un télescope, mais plutôt un système lié de radiotélescopes à travers le monde travaillant tous ensemble en utilisant l'interférométrie. En mesurant l'énergie électromagnétique de la région entourant le trou noir avec plusieurs antennes paraboliques à plusieurs endroits, certaines des propriétés de la source peuvent être dérivées.
Les chercheurs de l'EHT espèrent que leurs observations fourniront éventuellement des images des effets gravitationnels intenses que nous nous attendons à voir près du trou noir. Ils espèrent également détecter une partie de la dynamique à l'œuvre près du trou lorsque la matière en orbite dans le disque d'accrétion atteint une vitesse relativiste.
Le projet EHT a collecté des données sur le Sagittaire A et un autre trou noir appelé M87 au centre de la galaxie Vierge A, sur une période de quatre ans. Ces quatre années se sont terminées en avril 2017, mais l'équipe de 200 scientifiques et ingénieurs analyse toujours les données. Dans l'intervalle, l'équipe a publié des images de modèles informatiques de ce qu'elle espère voir.
L'image peut ne pas sembler beaucoup, mais elle est significative. C'est l'équivalent de lire un titre de journal sur la lune en se tenant debout sur Terre. L'image peut nous aider à répondre à certaines questions déconcertantes concernant les trous noirs:
- Quel rôle les trous noirs ont-ils joué dans la formation des galaxies?
- À quoi ressemblent la lumière et la matière lorsqu'elles tombent vers un trou noir?
- De quoi sont faits les flux d'énergie jaillissant des trous noirs?
Il y a aussi une chance que l'image produite par l'EHT du Sagittaire A signifie que la théorie de la relativité générale d'Einstein devra être mise à jour. (Bien que ce soit généralement une mauvaise idée de parier contre Einstein.)
Les trous noirs et l'horizon des événements
Les trous noirs sont essentiellement le cadavre d'une étoile. Lorsqu'une étoile très massive brûle à travers tout son carburant, elle s'effondre en un point extrêmement dense, ou singularité. Le trou noir a une traction gravitationnelle incroyablement puissante, qui attire le gaz et la poussière vers lui. Une fois tous les 10 000 ans environ, le Sagittaire A consomme même une étoile.
L'horizon des événements est comme une coquille autour du trou noir. Une fois qu'une matière - ou même une lumière - atteint l'horizon des événements, la partie est terminée. Le trou noir grossit à mesure qu'il consomme de la matière et l'horizon des événements s'élargit également.
Le Sagittaire A, notre propre trou noir super-massif (SMBH), est massif. Il a une masse 4 millions de fois supérieure à celle du Soleil. Mais même ainsi, ce n'est pas si grand par rapport aux autres SMBH. L'autre SMBH du projet EHT est bien plus grand, avec une masse de 7 milliards de fois celle du Soleil.
L'EHT produira une image de l'horizon des événements en étudiant la zone autour du trou noir. Quelque chose arrive au matériau lorsqu'il tombe dans le trou noir. Il forme un disque d'accrétion de gaz et de poussière tourbillonnants qui est essentiellement en attente jusqu'à ce qu'il soit aspiré dans le trou. Ce matériau accélère jusqu'à des vitesses relativistes, ce qui signifie proche de la vitesse de la lumière. Lorsque cela se produit, le matériau est surchauffé et émet de l'énergie.
Mais le trou noir est si puissant gravitationnellement qu'il plie cette lumière dans un phénomène appelé lentille gravitationnelle. Cette lentille crée une région sombre appelée l'ombre du trou noir. Selon la théorie, l'horizon des événements devrait être environ 2,5 fois plus grand que l'ombre. Ainsi, une fois que les scientifiques ont une image de l'ombre, ils connaissent la taille de l'horizon des événements. La taille de l'horizon des événements est proportionnelle à la masse du trou noir. Ainsi, dans le cas du Sagittaire A, il devrait avoir environ 24 millions de kilomètres (15 millions de miles) de diamètre.
Il n'y aura donc pas d'images du trou noir lui-même, mais il y aura des images de l'ombre projetée par le trou noir. Scientifiquement, c'est un grand bond dans notre compréhension des trous noirs. Et en cas de doute sur l'existence de trous noirs, l'image de l'ombre fournira une preuve solide que des trous noirs sont bel et bien là-bas.
L'EHT et les Jets
Malgré la taille massive du Sagittaire A, il est minuscule dans le ciel. Il est beaucoup trop petit pour être vu par un seul télescope. C’est pourquoi l’ISE a été mise en œuvre. Il combine 7 radiotélescopes distincts à travers le monde en un seul grand télescope virtuel utilisant une technique appelée Very Long Baseline Interferometry (VLBI), quelque chose que les amateurs d'astronomie connaissent bien. Le télescope virtuel a un pouvoir de résolution beaucoup plus élevé qu'une seule lunette et a permis aux astronomes d'étudier la zone près de Sgr. UNE.
Pendant une semaine en avril 2017, l’équipe EHT a pointé ses sept oscilloscopes sur Sgr A, et sept horloges atomiques ont enregistré le moment de l’arrivée des signaux à chaque télescope. En étudiant et en combinant les signaux, les scientifiques peuvent créer une image de Sgr A. C'est un processus long qui se poursuit.
Les jets énergétiques qui jaillissent du voisinage d’un trou noir présentent un intérêt particulier pour les chercheurs. La matière tourbillonnant dans le disque d'accrétion d'un trou noir chauffe jusqu'à des milliards de degrés. Certains d'entre eux pénètrent dans le trou noir, mais pas tout.
Les jets énergétiques sont la partie qui s'échappe du disque d'accrétion. Ils voyagent à une vitesse proche de celle de la lumière pendant des dizaines de milliers d'années-lumière. Les scientifiques veulent en savoir plus à leur sujet.
En ce qui concerne Sgr. R, nous ne savons pas s'il y a des jets. Il n'a pas été très actif au cours des dernières décennies, il n'y a donc peut-être pas de jets. Mais s’ils sont là, l’EHT captera les signaux radio. Ensuite, nous pouvons obtenir des réponses à certaines questions fondamentales sur les jets:
- Comment commencent-ils?
- Comment accélèrent-ils à des vitesses relativistes?
- Comment restent-ils étroitement concentrés?
- De quoi sont-ils faits exactement?
La théorie d'Einstein de la relativité générale est-elle en difficulté?
Probablement pas. Mais il y a une chance.
La plupart de notre système solaire est un lieu de travail assez prosaïque. Et c'est de là que viennent la plupart de nos preuves d'observation à l'appui de la relativité générale. Mais la région entourant un trou noir n'est pas un quartier normal.
Les conditions y sont extrêmes. Gravité intense, jets de matière surchauffés se déplaçant à une vitesse proche de la lumière et horizon des événements. Mais en ce qui concerne la relativité générale, il s'agit principalement de gravité et de lumière.
La relativité générale prédit que la gravité du trou noir courbera l'espace-temps et attirera tout vers lui, y compris la lumière. Les données recueillies par EHT fourniront des mesures de ce phénomène qui peuvent être comparées aux prédictions d'Einstein. Si les données correspondent aux prévisions, Einstein gagne à nouveau.
La relativité générale fait une autre prédiction: l'ombre projetée par le disque d'accrétion devrait être circulaire. S'il n'est pas circulaire, et est plutôt ovoïde, les formules de la relativité générale ne sont pas complètement exactes.
John Wardle est un astronome qui étudie les trous noirs depuis des décennies, à l'époque où ils n'étaient encore qu'une construction théorique. Il est fortement impliqué dans le projet EHT. Wardle pense que la Relativité Générale résistera à ce test et qu'Einstein gagnera à nouveau. Mais si la relativité générale échoue à ce test, nous nous retrouverons dans une situation très difficile et étrange.
"Ensuite, nous serons dans une veste droite sévère parce que vous ne pouvez pas apporter de modifications qui gâchent tous les autres éléments qui fonctionnent", a déclaré Wardle. "Ce serait très excitant."
- Communiqué de presse de l'Université de Brandeis: «À quoi ressemble un trou noir?»
- Télescope Horizon événementiel
- Entrée Wikipédia: Interférométrie
- Entrée Wikipedia: Event Horizon
