Images d'ombres synthétiques de Sgr A* pour un trou noir de Kerr (rangée du haut) et un trou noir à dilaton non rotatif (rangée du bas). Dans chaque cas, le panneau de gauche fait référence à l'image produite par les simulations magnétohydrodynamiques général-relativistes, tandis que le panneau de droite fait référence à l'image reconstruite après avoir pris en compte des conditions d'observation réalistes. Crédit :Fromm/Younsi/Mizuno/Rezzolla (Francfort)
Peut-on distinguer les trous noirs ? Astrophysiciens à Francfort, l'Institut Max Planck de radioastronomie de Bonn, et Nimègue, collaborer au projet BlackHoleCam, répondre à cette question en calculant les premières images d'alimentation de trous noirs non einsteiniens :il est actuellement difficile de les distinguer des trous noirs standards.
Leurs conclusions sont publiées sous forme de publication en ligne anticipée (AOP) sur le Astronomie de la nature site internet le 16 avril 2018.
L'une des prédictions les plus fondamentales de la théorie de la relativité d'Einstein est l'existence de trous noirs. Malgré la détection récente des ondes gravitationnelles des trous noirs binaires par LIGO, les preuves directes utilisant les ondes électromagnétiques restent insaisissables et les astronomes les recherchent avec des radiotélescopes. Pour la première fois, collaborateurs du projet BlackHoleCam financé par l'ERC, dont des astrophysiciens de l'Université Goethe de Francfort, Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) de Bonn, et Université Radboud de Nimègue, ont comparé des images auto-cohérentes et réalistes de l'ombre d'un trou noir supermassif en accumulation - tel que le candidat trou noir Sagittaire A* (Sgr A*) au cœur de notre Galaxie - à la fois en relativité générale et dans une théorie différente de la gravité. L'objectif était de tester si les trous noirs einsteiniens peuvent être distingués de ceux des théories alternatives de la gravité.
Tous les rayons lumineux (ou photons) produits par la matière tombant sur un trou noir ne sont pas piégés par l'horizon des événements, une région de l'espace-temps d'où rien ne peut s'échapper. Certains de ces photons atteindront des observateurs lointains, de sorte que lorsqu'un trou noir est observé directement, une "ombre" est attendue sur le fond de ciel. La taille et la forme de cette ombre dépendront des propriétés du trou noir et de la théorie de la gravité.
Parce que les plus grands écarts par rapport à la théorie de la relativité d'Einstein sont attendus très près de l'horizon des événements, et puisque les théories alternatives de la gravité font des prédictions différentes sur les propriétés de l'ombre, les observations directes de Sgr A* représentent une approche très prometteuse pour tester la gravité dans le régime le plus fort. Faire de telles images de l'ombre du trou noir est l'objectif principal de la collaboration internationale Event Horizon Telescope (EHTC), qui combine les données radio des télescopes du monde entier.
Les scientifiques de l'équipe BlackHoleCam en Europe, qui font partie de l'EHTC, sont maintenant allés plus loin et ont cherché à savoir s'il était possible de distinguer un trou noir "Kerr" de la gravité d'Einstein et un trou noir "dilaton", qui est une solution possible d'une théorie alternative de la gravité.
Les chercheurs ont étudié l'évolution de la matière tombant dans les deux types de trous noirs très différents et calculé le rayonnement émis pour construire les images. Par ailleurs, des conditions physiques réelles dans les télescopes et le milieu interstellaire ont été utilisées pour créer des images physiquement réalistes. "Pour capturer les effets de différents trous noirs, nous avons utilisé des simulations réalistes de disques d'accrétion avec des configurations initiales presque identiques. Ces simulations numériques coûteuses ont utilisé des codes de pointe et plusieurs mois sur le supercalculateur de l'Institut LOEWE, " dit le Dr Mizuno, auteur principal de l'étude.
De plus, les images radio attendues ont évidemment une résolution et une fidélité d'image limitées. Lorsque vous utilisez des résolutions d'image réalistes, les scientifiques ont trouvé, à leur grande surprise, que même des trous noirs hautement non einsteiniens pourraient se déguiser en trous noirs normaux.
"Nos résultats montrent qu'il existe des théories de la gravité dans lesquelles les trous noirs peuvent se faire passer pour des einsteiniens, de nouvelles techniques d'analyse des données EHT peuvent donc être nécessaires pour les distinguer, " remarque Luciano Rezzolla, professeur à l'université Goethe et chef de l'équipe de Francfort. "Alors que nous pensons que la relativité générale est correcte, en tant que scientifiques, nous devons être ouverts d'esprit. Heureusement, des observations futures et des techniques plus avancées finiront par dissiper ces doutes, " conclut Rezzolla.
"En effet, informations indépendantes d'un pulsar en orbite, que nous recherchons activement, contribuera à lever ces ambiguïtés, " dit Michael Kramer, directeur du MPI pour la radioastronomie à Bonn. Heino Falcke (professeur à l'Université Radboud), qui il y a 20 ans a proposé d'utiliser des radiotélescopes pour imager l'ombre des trous noirs, est optimiste. "Il ne fait aucun doute que l'EHT obtiendra à terme des preuves solides d'une ombre de trou noir. Ces résultats nous encouragent à affiner nos techniques au-delà de l'état de l'art actuel et ainsi à créer des images encore plus nettes à l'avenir.
