Crédit :Avec l'aimable autorisation de l'EHT
Au centre de notre galaxie se trouve un tourbillon, trou noir supermassif crachant de l'énergie appelé Sagittaire A* ou Sgr A*, pour faire court. Depuis des milliards d'années, le gaz et la poussière environnants y sont tombés. Tous les 10, 000 ans environ, il avale une étoile voisine.
Sgr A* (prononcé Saj-A-star) est le plus grand trou noir de notre ciel nocturne, mais nous ne savons pas à quoi il ressemble de près car nous n'avons jamais pu le prendre en photo.
C'est en fait vrai pour tous les trous noirs.
Ils sont omniprésents dans notre univers, mais ils sont si petits dans le ciel, nous n'avons pas d'image détaillée d'aucun d'entre eux.
Les images que vous voyez sur le Web ou dans les documentaires télévisés sont des illustrations ou des simulations basées sur des preuves indirectes – des observations de la région de l'espace autour du trou noir. Les scientifiques ne doutent pas que les trous noirs existent, mais sans image, ils ne peuvent pas le prouver avec certitude.
Tout cela est peut-être sur le point de changer.
Depuis quatre ans, Le professeur d'astrophysique John Wardle a travaillé avec une équipe d'environ 200 scientifiques et ingénieurs pour créer une image de Sgr A* qui serait notre toute première image d'un trou noir. L'initiative, appelé télescope Event Horizon (EHT), terminé la collecte des données en avril 2017. Les chercheurs sont actuellement en train de les analyser.
En fonction des résultats, l'image qu'ils produisent de Sgr A* peut ressembler à l'une de celles-ci :
Simulations informatiques des images que les chercheurs de l'EHT espèrent générer. Les régions lumineuses sont des gaz chauds entourant le trou noir. La région sombre circulaire est une ombre projetée par la forte gravité du trou noir. Crédit :EHT
Cela peut sembler peu, mais générer cette image approximative de Sgr A * équivaut à lire un titre de journal sur la lune tout en se tenant sur Terre.
En réalité, il suffit de répondre à certaines de nos plus grandes questions sans réponse sur l'un des phénomènes les plus mystérieux de l'univers :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 ? Quel rôle les trous noirs ont-ils joué dans la formation des galaxies ?
Bien que ce soit peu probable, les résultats de l'EHT pourraient même nécessiter des ajustements à la théorie de la relativité générale d'Einstein.
Mais avant de savoir si l'un des plus grands scientifiques qui ait jamais vécu n'a pas tout à fait raison, nous devons commencer par les bases.
Les faits
Les trous noirs se produisent généralement lorsqu'une étoile très massive brûle son combustible nucléaire et s'effondre cataclysmiquement en un point incroyablement dense, ou singularité.
Quand le gaz, les étoiles et autres matières s'approchent suffisamment du trou noir, ils sont attirés vers l'horizon des événements du trou noir, une coquille imaginaire autour de la singularité. Rien de ce qui franchit le seuil de l'horizon des événements ne peut échapper à l'attraction gravitationnelle du trou noir. Et comme la matière tombe, le trou noir devient plus massif et l'horizon des événements s'élargit.
Il s'avère que les trous noirs sont partout. Les supermassifs se trouvent au centre de la plupart des galaxies. Les trous noirs moins massifs sont beaucoup plus fréquents. Notre galaxie, la voie Lactée, a probablement environ 100 millions de trous noirs, bien que nous n'en ayons identifié que quelques dizaines.
Quant au Sgr A*, il est environ 26 ans, 000 années-lumière de la Terre avec une masse quatre millions de fois celle du soleil. Cela le rend "mauvais" par rapport aux autres trous noirs supermassifs, dit Wardle. L'autre trou noir supermassif que l'EHT étudie, Messier 87 (M87) au centre de l'amas de la Vierge, a une masse de près de sept milliards de fois celle du soleil.
L'EHT a choisi Sgr A* et M87 car ce sont les plus grands trous noirs supermassifs vus de la Terre. Ce sont les candidats les plus faciles et les plus accessibles pour étudier.
Mais comment peut-on prendre une photo d'un trou noir quand il est noir ?
Bon point. En réalité, les trous noirs sont aussi noirs que la noirceur de l'espace. Toute lumière qui entre ne s'échappe jamais.
Mais autour d'un trou noir, il y a de la lumière provenant d'un tourbillon lumineux de matière surchauffée qui n'est pas encore tombée dans le trou noir. Lorsque la lumière passe près de l'horizon des événements, il se plie et se déforme sous l'effet de la forte gravité du trou noir.
Cette lentille de la lumière délimite une région sombre appelée l'ombre du trou noir. La taille de l'ombre devrait être deux fois et demie la taille de l'horizon des événements. La taille de l'horizon des événements est proportionnelle à la masse du trou noir. Pour Sgr A*, cela représente environ 15 millions de miles de diamètre. Et le diamètre de M87, l'autre trou noir que l'EHT étudie, est mille fois plus grand que cela.
Vous obtenez l'image :en étudiant l'ombre du trou noir, les chercheurs de l'EHT peuvent comprendre beaucoup de choses sur le trou noir.
Donc techniquement parlant, les scientifiques de l'EHT ne produiront pas l'image d'un trou noir. Ils utiliseront des informations sur l'ombre pour en déduire des informations sur le trou noir.
Mais comme l'imagerie d'un trou noir n'est pas une option (du moins pas actuellement), les scientifiques considèrent une image de l'ombre comme une preuve concluante de l'existence d'un trou noir.
Entre John Wardle.
Lorsque Wardle a débuté en astrophysique à la fin des années 1960 en analysant les ondes radio émises par les galaxies, "les trous noirs n'étaient qu'une curiosité qui pouvait ou non exister, " a-t-il dit. "Ils étaient un domaine légèrement peu recommandable pour un astronome."
Mais quelques années plus tard, le champ a explosé, et puisque les trous noirs alimentent des jets énergétiques qui émettent des ondes radio, il gravitait naturellement dans leur direction (sans jeu de mots).
Dans le cadre du Brandeis Radio Astronomy Group, Wardle étudie les « galaxies actives, " un type relativement rare de galaxie super-lumineuse avec des trous noirs supermassifs en leur centre.
Le réseau
Sgr A* est si petit dans le ciel que nous n'avons pas un seul télescope sur Terre qui puisse le voir avec suffisamment de détails pour créer une photo haute résolution.
Les scientifiques de l'EHT ont surmonté ce problème en mettant en réseau sept télescopes dans le monde entier à l'aide d'une technique appelée interférométrie à très longue base (VLBI). Le résultat était un "télescope virtuel" avec le pouvoir de résolution d'un télescope de la taille du diamètre de la Terre.
Pendant une semaine en avril 2017, les sept télescopes EHT enregistraient les signaux de Sgr A*. Sept horloges atomiques ont enregistré l'heure d'arrivée des signaux à chaque télescope.
La nature des signaux et le moment où ils arrivent à chaque télescope permettront aux scientifiques de travailler en arrière pour construire une image de Sgr A*. Cela va prendre un certain temps. Les télescopes EHT ont collecté suffisamment de données pour en remplir 10, 000 ordinateurs portables.
Gros jets
Wardle est particulièrement intéressé à en savoir plus sur les énormes jets d'énergie provenant des trous noirs.
Les jets se forment lorsque la matière à l'extérieur d'un trou noir est chauffée à des milliards de degrés. Il tourbillonne dans ce qu'on appelle le disque d'accrétion. Une partie dépasse le point de non-retour, l'horizon des événements, et entre dans le trou noir.
Mais les trous noirs sont des mangeurs salissants. Une partie de la matière sera crachée sous la forme de jets étroitement focalisés (collimatés). Les jets voyagent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière pendant des dizaines de milliers d'années-lumière.
Il est possible qu'il n'y ait pas de jets en provenance du Sgr *A. Il n'a pas été très actif au cours des dernières décennies.
Mais si les jets existent, les télescopes de l'EHT auront capté leurs signaux radio. Ensuite, l'équipage de l'EHT peut utiliser les informations pour essayer de répondre à ce que Wardle dit être les grandes questions sans réponse sur les jets :
De quoi sont-ils faits, électrons et positons, électrons et protons, ou champs électromagnétiques ?
Et maintenant, finalement, nous arrivons à Einstein
Jusqu'à tout récemment, Les preuves à l'appui de la théorie de la relativité générale (RG) proviennent des observations de notre système solaire. Mais les conditions dans notre petit bout de l'univers sont assez douces. Les conditions extrêmes trouvées à proximité d'un trou noir mettront GR à l'épreuve ultime.
GR devrait décrire avec précision comment la lumière se courbe lorsque l'attraction gravitationnelle massive du trou noir courbe l'espace-temps et attire tout vers lui. Les données recueillies par EHT fourniront des mesures de ce phénomène qui pourront être comparées aux prédictions d'Einstein.
Les formules de GR suggèrent également que l'ombre projetée par le disque d'accrétion autour de Sgr A* sera presque circulaire. S'il s'avère avoir la forme d'un œuf, cela nous dira également que quelque chose ne va pas à propos de GR.
Wardle pense que GR résistera aux tests. Toujours, il y a toujours la possibilité que GR " doive être ajusté, " dit-il. "Alors nous serons dans une camisole de force sévère parce que vous ne pouvez pas faire de changements qui gâchent tous les autres éléments qui fonctionnent. Ce serait très excitant."
