Illustration d'un trou noir entouré d'un anneau lumineux (représenté par le cercle lumineux), et par un disque d'accrétion de poussière interstellaire (avec une couleur plus pâle). L'image d'un trou noir, obtenu avec des simulations, est affiché dans le coin inférieur droit, dans lequel un anneau lumineux visible délimite une zone de gradation à l'intérieur. Crédit :Matériel source original avec l'aimable autorisation de NASA/JPL-Caltech/T. Pylé et Avancées scientifiques 18 mars 2020 :Vol. 6, non. 12 sous la licence Creative Commons Attribution Non-Commercial 4.0 (CC BY-NC).
Trous noirs, régions de l'espace avec un champ gravitationnel si intense qu'aucune matière ou rayonnement ne peut s'en échapper, sont parmi les phénomènes cosmologiques les plus mystérieux et fascinants. Au cours des cinq dernières années environ, les astrophysiciens ont recueilli les premières observations des fortes forces gravitationnelles autour des trous noirs.
La collaboration LIGO-Virgo a pu détecter les ondes gravitationnelles autour de ces objets célestes à l'aide de certains des détecteurs d'ondes gravitationnelles les plus avancés au monde. Pendant ce temps, le groupe de recherche Event Horizon Telescope a capturé la toute première image d'une ombre de trou noir.
Bien que ces deux observations soient très prometteuses et captivantes, ni l'un ni l'autre n'est susceptible de dévoiler l'horizon des événements, la frontière définissant la région spécifique de l'espace autour d'un trou noir dont rien ne peut s'échapper. Néanmoins, ils doivent contenir une signature pointant vers une région voisine juste en dehors de l'horizon des événements, où la lumière est si fortement courbée que son chemin se referme sur lui-même et forme des orbites circulaires connues sous le nom d'anneaux lumineux.
L'étude de ces anneaux lumineux pourrait à terme enrichir notre compréhension actuelle des trous noirs et de leurs propriétés. Jusque là, cependant, de nombreuses questions restent sans réponse, et nous sommes encore loin d'avoir une bonne compréhension à la fois des trous noirs et des anneaux lumineux qui les entourent.
Des chercheurs de l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle en Allemagne et de l'Universidade de Aveiro au Portugal ont récemment introduit un théorème qui fait des prédictions sur les anneaux lumineux autour des trous noirs stationnaires. leur théorème, présenté dans un article publié dans Lettres d'examen physique , suggère que les trous noirs d'équilibre doivent, en règle générale, ont au moins un anneau lumineux dans chacun de leur sens de rotation.
"Remarquablement, les propriétés des anneaux lumineux peuvent coder de nombreuses informations pertinentes sur les trous noirs, " Pedro Cunha et Carlos Herdeiro, les deux chercheurs qui ont mené l'étude, a dit à Phys.org par e-mail. "La mesure de ces propriétés ouvre une fenêtre directe sur le régime insaisissable et pourtant assez inexploré de très forte gravité à proximité d'un trou noir. À l'heure actuelle, il n'est toujours pas clair si la théorie de la relativité générale d'Einstein reste une bonne description des lois de la gravité dans de telles conditions. conditions extrêmes. une question clé est :est-ce qu'un modèle de trou noir, dans toute théorie de la gravité, besoin d'avoir un anneau lumineux ?"
Image simulée d'un trou noir en rotation. Source originale (image de fond) crédit :ESO/S. Brunier.
Selon la théorie de la relativité générale, les propriétés des trous noirs à l'état d'équilibre et dans l'espace vide sont très contraintes. Les observations cosmologiques passées suggèrent que ces trous noirs classiques possèdent des orbites annulaires légères, ce qui pourrait signifier que tout trou noir imaginable aurait également ces orbites.
Avec leur étude, Cunha et Herdeiro ont tenté d'examiner la possibilité d'extrapoler la notion d'orbite des anneaux lumineux et de l'appliquer aux trous noirs avec un contenu générique de matière ou à des théories alternatives de la gravité (c'est-à-dire, pas la théorie de la relativité générale). Le nouveau théorème qu'ils ont conçu fournit une base théorique solide pour la prédiction que les trous noirs d'équilibre génériques doivent posséder au moins une orbite d'anneau lumineux.
« Dans notre journal, nous introduisons un argument générique et mathématiquement innovant qui établit qu'un trou noir d'équilibre doit en effet avoir, comme règle, au moins un anneau lumineux standard dans chaque sens de rotation, " Cunha et Herdeiro ont dit. " Pour analyser les anneaux lumineux, typiquement, on considère des familles de solutions d'une théorie de la gravité donnée, comme la relativité générale, ou un modèle particulier de gravité modifiée. Ici, cependant, l'argument est de nature topologique.
La topologie est un domaine spécifique des mathématiques qui se concentre sur l'étude des propriétés géométriques qui ne sont pas affectées lorsqu'un objet subit des déformations ou d'autres changements de forme et de taille. L'idée clé qui sous-tend les études de topologie est que certains problèmes ne sont pas affectés par la forme et la taille exactes des objets, mais plutôt par la manière dont ces objets peuvent se déformer les uns dans les autres.
« À titre d'exemple simple, une sphère et un beignet ont un nombre différent de trous et sont topologiquement distincts, " les chercheurs ont expliqué. " En revanche, une sphère et un cube ont la même topologie, malgré des formes géométriques différentes."
Dans leur papier, Cunha et Herdeiro appliquent des constructions basées sur la topologie à la question de savoir si une orbite d'anneau lumineux existe autour d'un trou noir. Au lieu d'utiliser les équations du mouvement fournies par une théorie spécifique de la gravité pour essayer de répondre à cette question, leur théorème examine simplement comment l'espace-temps devrait se comporter à la fois près d'un trou noir et loin de celui-ci.
Les auteurs (Carlos Herdeiro, la gauche; Pedro Cunha, droit), dans la salle de contrôle du détecteur d'ondes gravitationnelles LIGO-Livingston à Livingston Parish, Louisiane, en février 2017.
"En d'autres termes, nous ne supposons pas qu'une loi de la gravité est correcte, mais supposons seulement que la loi correcte de la gravité (c'est-à-dire, quelle qu'elle soit) permet l'existence de trous noirs, " dirent Cunha et Herdeiro. " Alors, forcer la structure de l'espace-temps à obéir à certaines exigences de régularité, l'existence d'un trou noir implique qu'il doit y avoir un anneau lumineux à l'extérieur de l'horizon. En réalité, un trou noir en rotation doit avoir au moins deux anneaux lumineux :un pour la lumière encerclant le trou noir dans le même sens de rotation que le trou noir et un autre pour la lumière encerclant le trou noir dans le sens opposé.
Le récent article de Cunha et Herdeiro fournit une nouvelle perspective théorique qui pourrait servir de base à d'autres études examinant les anneaux lumineux autour des trous noirs. Son principal avantage est sa généralité, car elle ne suit aucune théorie spécifique de la gravité et est donc valable même si la théorie de la relativité générale d'Einstein n'était pas applicable ou précise dans ce contexte.
"La prédiction que les trous noirs ont toujours des anneaux lumineux et qu'ils sont toujours en dehors de l'horizon a des conséquences importantes, " Cunha et Herdeiro disent. " Par exemple, cela implique que la silhouette d'un trou noir, connu comme l'ombre du trou noir, est génériquement différent et généralement plus grand que ce à quoi on pourrait s'attendre de la taille du trou noir lui-même. L'ombre doit donc toujours être un grossissement du trou noir."
Bien qu'il puisse être théoriquement fort, comme tout autre théorème mathématique qui s'applique aux systèmes réels, la construction introduite par Cunha et Herdeiro est basée sur une série d'hypothèses. Dans leurs futurs travaux, les chercheurs prévoient de modifier certaines de ces hypothèses et d'évaluer si les prédictions de leur théorème changent ou restent les mêmes.
"Une hypothèse clé de notre théorème est que loin du trou noir, il n'y a pas de champ gravitationnel, " Cunha et Herdeiro ont dit. " Cependant, dans l'Univers, il existe une constante cosmologique qui entraîne l'expansion du Cosmos. Cela crée un petit champ gravitationnel, quelle que soit la distance du trou noir. Il serait très intéressant de comprendre si ce léger changement d'hypothèse changerait les conclusions de notre théorème."
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