Avril dernier, le télescope Event Horizon (EHT) a suscité l'enthousiasme international lorsqu'il a dévoilé la première image d'un trou noir. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs a publié de nouveaux calculs qui prédisent une sous-structure frappante et complexe dans les images de trous noirs à partir d'une courbure extrême de la lumière gravitationnelle.

"L'image d'un trou noir contient en fait une série d'anneaux imbriqués, " explique Michael Johnson du Center for Astrophysics, Harvard et Smithsonian (CfA). "Chaque anneau successif a à peu près le même diamètre mais devient de plus en plus net car sa lumière a fait plusieurs fois le tour du trou noir avant d'atteindre l'observateur. Avec l'image EHT actuelle, nous n'avons qu'un aperçu de toute la complexité qui devrait émerger à l'image de n'importe quel trou noir."

Parce que les trous noirs piègent tous les photons qui traversent leur horizon des événements, ils jettent une ombre sur leur émission environnante brillante du gaz chaud entrant. Un "anneau de photons" encercle cette ombre, produite à partir de la lumière qui est concentrée par la forte gravité près du trou noir. Cet anneau de photons porte l'empreinte du trou noir – sa taille et sa forme encodent la masse et la rotation ou « spin » du trou noir. Avec les images EHT, les chercheurs sur les trous noirs disposent d'un nouvel outil pour étudier ces objets extraordinaires.

"C'est une période extrêmement excitante pour réfléchir à la physique des trous noirs, " dit Daniel Kapec de l'Institute for Advanced Study. " La théorie de la relativité générale d'Einstein fait un certain nombre de prédictions frappantes pour les types d'observations qui sont enfin à portée de main, et je pense que nous pouvons nous attendre à de nombreuses avancées dans les années à venir. En tant que théoricien, Je trouve la convergence rapide entre théorie et expérience particulièrement enrichissante, et j'espère que nous pourrons continuer à isoler et à observer des prédictions plus universelles de la relativité générale à mesure que ces expériences deviennent plus sensibles."

L'équipe de recherche comprenait des astronomes d'observation, physiciens théoriciens, et astrophysiciens.

"Réunir des experts de différents domaines nous a permis de vraiment connecter une compréhension théorique de l'anneau de photons à ce qui est possible avec l'observation, " note George Wong, un étudiant diplômé en physique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Wong a développé un logiciel pour produire des images de trou noir simulées à des résolutions plus élevées que celles calculées auparavant et pour les décomposer en la série prédite de sous-images. "Ce qui a commencé comme des calculs classiques au crayon et au papier nous a incités à pousser nos simulations vers de nouvelles limites."

Les chercheurs ont également découvert que la sous-structure d'image du trou noir crée de nouvelles possibilités d'observation des trous noirs. "Ce qui nous a vraiment surpris, c'est que même si les sous-anneaux imbriqués sont presque imperceptibles à l'œil nu sur les images - même les images parfaites - ils sont des signaux forts et clairs pour les réseaux de télescopes appelés interféromètres, " dit Johnson. " Bien que la capture d'images de trous noirs nécessite normalement de nombreux télescopes distribués, les sous-anneaux sont parfaits pour étudier en utilisant seulement deux télescopes très éloignés l'un de l'autre. Ajouter un télescope spatial à l'EHT serait suffisant."

"La physique des trous noirs a toujours été un beau sujet avec de profondes implications théoriques, mais maintenant c'est aussi devenu une science expérimentale, " dit Alex Lupsasca de la Harvard Society of Fellows. " En tant que théoricien, Je suis ravi de pouvoir enfin glaner de vraies données sur ces objets auxquels nous pensons de manière abstraite depuis si longtemps."

Les résultats ont été publiés dans Avancées scientifiques .