Un long et minutieux travail de scientifiques du monde entier a produit la première image directe de l'horizon des événements d'un trou noir, un monstre supermassif appelé M87.
Cette image a confirmé plusieurs de nos idées sur les trous noirs.
Mais la science ne s'est pas arrêtée lorsque la photographie est arrivée. Les scientifiques ont effectué des calculs basés sur ce qu'ils ont appris sur M87 combiné à la relativité générale pour prédire davantage comment un jour nous verrons ces objets en détail.
Les trous noirs sont d'une intensité gravitationnelle incroyable. Non seulement ils sont si massifs que même la vitesse de la lumière est trop lente pour éviter l'attraction gravitationnelle, ils courbent également le chemin de la lumière autour d'eux, au-delà de l'horizon des événements.
Si un photon passant s'approche trop près, il sera en orbite autour du trou noir. Cela crée ce qu'on appelle un «anneau de photons» ou «sphère de photons», un anneau de lumière parfait qui devrait entourer le trou noir le long du bord intérieur du disque d'accrétion, mais en dehors de l'horizon des événements.
Elle est également connue comme l'orbite intérieure la plus stable et vous pouvez la voir dans l'image ci-dessous, créée par l'astrophysicien Jean-Pierre Luminet en 1978.
(Jean-Pierre Luminet)
Les modèles de l'environnement du trou noir suggèrent que l'anneau photonique devrait créer une sous-structure complexe composée d'anneaux de lumière sans fin – un peu comme l'effet que vous voyez dans un miroir sans fin.
“L'image d'un trou noir contient en fait des séries d'anneaux imbriqués”, a expliqué l'astrophysicien Michael Johnson du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
«Chaque anneau successif a à peu près le même diamètre, mais devient de plus en plus« tranchant »parce que sa lumière tourne plusieurs fois autour du trou noir avant d'atteindre l'observateur.
(Télescope Event Horizon)
Sur cette première photo historique de M87 (ci-dessus), nous voyons le disque d'accrétion – une pièce lumineuse orange-or. La partie noire au centre est l'ombre du trou noir. Nous ne pouvons pas réellement voir la sphère de photons car la résolution n'est pas assez élevée pour la distinguer, mais elle doit être positionnée le long du bord de l'ombre du trou noir.
Si nous pouvions le voir, alors cet anneau nous dira des choses très importantes sur un trou noir. La taille de l'anneau peut nous dire la masse, la taille et la vitesse d'un trou noir. Nous pouvons les identifier à partir du disque d'accrétion, mais l'anneau de photons nous permettrait de limiter davantage les données pour des mesures plus précises.
«Chaque anneau est constitué de photons, cristallisés sur l'écran de l'observateur après avoir été collectés par une coquille photonique de n'importe où dans l'univers», écrivent les chercheurs dans leur article.
Par conséquent, dans un environnement idéalisé sans absorption, chaque anneau contient une image distincte déformée exponentiellement de l'univers entier, chaque anneau suivant capturant l'univers visible. Ensemble, l'ensemble est similaire à un film, qui capture l'histoire de l'univers visible vu depuis un trou noir. ''
Johnson et son équipe ont donc utilisé des simulations pour déterminer si des anneaux de photons pouvaient être détectés lors d'observations futures. Ils ont trouvé que cela pouvait être fait, même si ce ne serait pas facile.
Le cliché du M87 était un exploit d'ingéniosité et de collaboration. Des télescopes du monde entier ont travaillé ensemble pour créer un très long interféromètre de base appelé télescope d'horizon des événements, où les distances exactes et les différences temporelles entre les télescopes du réseau peuvent être calculées pour coller leurs observations ensemble. C'est – en termes très, très simples – comme avoir un télescope de la taille de la Terre.
«Ce qui nous a vraiment surpris, c'est que les anneaux imbriqués sont presque invisibles à l'œil nu dans les images – même dans les images parfaites – mais ce sont des signaux forts et clairs pour des réseaux de télescopes appelés interféromètres», a déclaré Johnson.
L'étude a été publiée dans la revue Science Advances.
Sources: Photo: Photons en orbite autour d'un trou noir. (Nicole R. Fuller / NSF)
