Dans les régions sombres des trous noirs, deux théories fondamentales décrivant notre monde se heurtent. Ces problèmes peuvent-ils être résolus et les trous noirs existent-ils vraiment ? D'abord, nous devrons peut-être en voir un et les scientifiques essaient de faire exactement cela.

De toutes les forces de la physique, il y en a une que nous ne comprenons toujours pas du tout :la gravité.

La gravité est le point de rencontre de la physique fondamentale et de l'astronomie, et où les deux théories les plus fondamentales décrivant notre monde – la théorie quantique et la théorie de l'espace-temps et de la gravité d'Einstein (alias la théorie de la relativité générale) – s'affrontent de front.

Les deux théories sont apparemment incompatibles. Et pour la plupart, ce n'est pas un problème. Ils vivent tous les deux dans des mondes distincts, où la physique quantique décrit le très petit, et la relativité générale décrit les plus grandes échelles.

Ce n'est que lorsque vous arrivez à de très petites échelles et à une gravité extrême, les deux théories se heurtent-elles, et en quelque sorte, l'un d'eux se trompe. Du moins en théorie.

Mais il y a une fois un endroit dans l'univers où nous pourrions réellement assister à ce problème dans la vie réelle et peut-être même le résoudre :le bord d'un trou noir. Ici, nous trouvons la gravité la plus extrême. Il n'y a qu'un seul problème :personne n'a jamais réellement « vu » un trou noir.

Donc, qu'est-ce qu'un trou noir ?

Imaginez que tout le drame du monde physique se déroule dans le théâtre de l'espace-temps, mais la gravité est la seule « force » qui modifie réellement le théâtre dans lequel elle joue.

La force de gravité gouverne l'univers, mais ce n'est peut-être même pas une force au sens traditionnel du terme. Einstein l'a décrit comme une conséquence de la déformation de l'espace-temps. Et peut-être que cela ne correspond tout simplement pas au modèle standard de la physique des particules.

Quand une très grosse étoile explose en fin de vie, sa partie la plus intérieure s'effondrera sous sa propre gravité, car il n'y a plus assez de carburant pour maintenir la pression à l'encontre de la force de gravité (oui, la gravité ressemble à une force après tout, n'est-ce pas !).

La matière s'effondre et aucune force dans la nature n'est connue pour pouvoir arrêter cet effondrement, déjà.

Dans un temps infini, l'étoile se sera effondrée en un point infiniment petit :une singularité – ou pour lui donner un autre nom, un trou noir.

Bien sûr, dans un temps fini, le noyau stellaire se sera effondré en quelque chose de taille finie et cela représenterait toujours une masse énorme dans une région incroyablement petite et cela s'appelle toujours un trou noir !

Les trous noirs n'aspirent pas tout ce qui les entoure

De façon intéressante, il n'est pas vrai qu'un trou noir attirera inévitablement tout.

En réalité, que vous soyez en orbite autour d'une étoile ou d'un trou noir formé à partir d'une étoile, ça ne change rien, tant que la masse est la même. La bonne vieille force centrifuge et votre moment angulaire vous garderont en sécurité et vous empêcheront de tomber.

Seulement lorsque vous tirez vos propulseurs de fusée géants pour freiner votre rotation, allez-vous commencer à tomber vers l'intérieur.

Cependant, une fois que vous tombez vers un trou noir, vous serez accéléré à des vitesses de plus en plus élevées, jusqu'à ce que vous atteigniez finalement la vitesse de la lumière.

Pourquoi la théorie quantique et la relativité générale sont-elles incompatibles ?

À ce stade, tout va mal car, selon la relativité générale, rien ne devrait aller plus vite que la vitesse de la lumière.

La lumière est le substrat utilisé dans le monde quantique pour échanger des forces et transporter des informations dans le monde macro. La lumière détermine à quelle vitesse vous pouvez connecter la cause et les conséquences.

Si tu vas plus vite que la lumière, vous pouviez voir les événements et changer les choses avant qu'ils ne se produisent. Cela a deux conséquences :

1. Au point où vous atteignez la vitesse de la lumière en tombant vers l'intérieur, vous auriez également besoin de voler à la vitesse de la lumière pour échapper à ce point, ce qui semble impossible. D'où, la sagesse physique conventionnelle vous dira que rien ne peut échapper à un trou noir, une fois ce point passé, que nous appelons « l'horizon des événements ».
2. Cela signifie également que les principes de base de la préservation de l'information quantique sont soudainement violés – les quantités quantiques conservées peuvent simplement disparaître derrière un mur de silence.

Que cela soit vrai et si et comment la théorie de la gravité (ou de la physique quantique) doit être modifiée est une question de débat intense parmi les physiciens, et aucun de nous ne peut dire dans quelle direction l'argument aboutira à la fin.

Les trous noirs existent-ils encore ?

Bien sûr, toute cette excitation ne serait que justifiée, si les trous noirs existaient vraiment dans cet univers. Donc, est-ce qu'ils?

Au cours du siècle dernier, des preuves solides se sont accumulées que certaines étoiles binaires avec des émissions de rayons X intenses sont en fait des étoiles effondrées dans des trous noirs.

De plus, au centre des galaxies, nous trouvons souvent des preuves d'énormes, concentrations sombres de la masse. Il pourrait s'agir de versions supermassives de trous noirs, peut-être formé par la fusion de nombreuses étoiles et nuages ​​de gaz qui se sont enfoncés au centre d'une galaxie.

La preuve est convaincante, mais circonstanciel. Au moins les ondes gravitationnelles nous ont fait « entendre » la fusion des trous noirs, mais la signature de l'horizon des événements est encore insaisissable et jusqu'à présent, nous n'avons jamais réellement « vu » un trou noir - ils ont simplement tendance à être trop petits et trop éloignés et, dans la plupart des cas, Oui, le noir...

Donc, à quoi ressemblerait un trou noir ?

Si vous pouviez regarder directement dans un trou noir, vous verriez le plus sombre des ténèbres, Tu peux imaginer.

Mais, l'environnement immédiat d'un trou noir pourrait être lumineux alors que les gaz s'enroulent en spirale vers l'intérieur, ralentis par la traînée des champs magnétiques qu'ils entraînent.

En raison de la friction magnétique, le gaz chauffe jusqu'à des températures énormes pouvant atteindre plusieurs dizaines de milliards de degrés et commence à émettre de la lumière UV et des rayons X.

Les électrons ultra-chauds interagissant avec le champ magnétique dans le gaz commenceront à produire une émission radio intense. Ainsi, les trous noirs peuvent briller et pourraient être entourés d'un anneau de feu qui rayonne à de nombreuses longueurs d'onde différentes.

Un anneau de feu avec une obscurité, centre sombre

En leur centre même, cependant, l'horizon des événements se cache toujours et comme un oiseau de proie, il attrape chaque photon qui s'approche trop près.

Since space is bent by the enormous mass of a black hole, light paths will also be bent and even form into almost concentric circles around the black hole, like serpentines around a deep valley. This effect of circling light was calculated already in 1916 by the famous Mathematician David Hilbert only a few months after Albert Einstein finalised his theory of general relativity.

After orbiting the black hole multiple times, some of the light rays might escape while others will end up in the event horizon. Along this complicated light path, you can literally look into the black hole. The nothingness you see is the event horizon.

If you were to take a photo of a black hole, what you would see would be akin to a dark shadow in the middle of a glowing fog of light. D'où, we called this feature the shadow of a black hole .

De façon intéressante, the shadow appears larger than you might expect by simply taking the diameter of the event horizon. The reason is simply, that the black hole acts as a giant lens, amplifying itself.

Surrounding the shadow will be a thin 'photon ring' due to light circling the black hole almost forever. Further out, you would see more rings of light that arise from near the event horizon, but tend to be concentrated around the black hole shadow due to the lensing effect.

Fantasy or reality?

Is this pure fantasy that can only be simulated in a computer? Or can it actually be seen in practice? The answer is that it probably can.

There are two relatively nearby supermassive black holes in the universe which are so large and close, that their shadows could be resolved with modern technology.

These are the black holes in the center of our own Milky Way at a distance of 26, 000 lightyears with a mass of 4 million times the mass of the sun, and the black hole in the giant elliptical galaxy M87 (Messier 87) with a mass of 3 to 6 billion solar masses.

M87 is a thousand times further away, but also a thousand times more massive and a thousand times larger, so that both objects are expected to have roughly the same shadow diameter projected onto the sky.

Like seeing a grain of mustard in New York from Europe

Coincidentally, simple theories of radiation also predict that for both objects the emission generated near the event horizon would be emitted at the same radio frequencies of 230 GHz and above.

Most of us come across these frequencies only when we have to pass through a modern airport scanner but some black holes are continuously bathed in them.

The radiation has a very short wavelength of about one millimetre and is easily absorbed by water. For a telescope to observe cosmic millimetre waves it will therefore have to be placed high up, on a dry mountain, to avoid absorption of the radiation in the Earth's troposphere.

Effectively, you need a millimetre-wave telescope that can see an object the size of a mustard seed in New York from as far away as Nijmegen in the Netherlands. That is a telescope a thousand times sharper than the Hubble Space Telescope and for millimetre-waves this requires a telescope the size of the Atlantic Ocean or larger.

A virtual Earth-sized telescope

Heureusement, we do not need to cover the Earth with a single radio dish, but we can build a virtual telescope with the same resolution by combining data from telescopes on different mountains across the Earth.

The technique is called Earth rotation synthesis and very long baseline interferometry (VLBI). The idea is old and has been tested for decades already, but it is only now possible at high radio frequencies.

The first successful experiments have already shown that event horizon structures can be probed at these frequencies. Now high-bandwidth digital equipment and large telescopes are available to do this experiment on a large scale.

Work is already underway

I am one of the three Principal Investigators of the BlackHoleCam project. BlackHoleCam is an EU-funded project to finally image, measure and understand astrophysical black holes. Our European project is part of a global collaboration known as the Event Horizon Telescope consortium – a collaboration of over 200 scientists from Europe, the Americas, Asia, et l'Afrique. Together we want to take the first picture of a black hole.

In April 2017 we observed the Galactic Center and M87 with eight telescopes on six different mountains in Spain, Arizona, Hawaii, Mexique, Chili, and the South Pole.

All telescopes were equipped with precise atomic clocks to accurately synchronise their data. We recorded multiple petabytes of raw data, thanks to surprisingly good weather conditions around the globe at the time.

We are all excited about working with this data. Of course, even in the best of all cases, the images will never look as pretty as the computer simulations. Mais, at least they will be real and whatever we see will be interesting in its own right.

To get even better images telescopes in Greenland and France are being added. De plus, we have started raising funds for additional telescopes in Africa and perhaps elsewhere and we are even thinking about telescopes in space.

A 'photo' of a black hole

If we actually succeed in seeing an event horizon, we will know that the problems we have in rhyming quantum theory and general relativity are not abstract problems, but are very real. And we can point to them in the very real shadowy regions of black holes in a clearly marked region of our universe.

This is perhaps also the place where these problems will eventually be solved.

We could do this by obtaining sharper images of the shadow, or maybe by tracing stars and pulsars as they orbit around black holes, through measuring spacetime ripples as black holes merge, or as is most likely, by using all of the techniques that we now have, ensemble, to probe black holes.

A once exotic concept is now a real working laboratory

As a student, I wondered what to study:particle physics or astrophysics? After reading many popular science articles, my impression was that particle physics had already reached its peak. This field had established an impressive standard model and was able to explain most of the forces and the particles governing our world.

Astronomy though, had just started to explore the depths of a fascinating universe. There was still a lot to be discovered. And I wanted to discover something.

À la fin, I chose astrophysics as I wanted to understand gravity. And since you find the most extreme gravity near black holes, I decided to stay as close to them as possible.

Aujourd'hui, what used to be an exotic concept when I started my studies, promises to become a very real and very much visible physics laboratory in the not too distant future.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de ScienceNordic, la source de confiance pour les nouvelles scientifiques en anglais des pays nordiques. Lisez l'histoire originale ici.