L'avenir des images du trou noir est brillant

Ce mois marque le premier anniversaire de l'image de l'environnement entourant directement le trou noir au centre de la galaxie M87, capturée par le télescope Event Horizon (EHT). Au cours des douze mois qui ont suivi cette réalisation spectaculaire, les chercheurs ne se sont pas reposés sur leurs lauriers. Plusieurs équipes ont travaillé d'arrache-pied à imaginer et à théoriser des façons de construire une meilleure image du trou noir.

Juste cette semaine, à l'approche de cet anniversaire, les chercheurs ont publié une étude qui promet à la fois d'améliorer l'imagerie des trous noirs mais également d'augmenter la quantité d'informations pouvant être dérivées de ces images.

L'équipe, dirigée par des scientifiques du Center for Astrophysics, Harvard et Smithsonian (CfA) ont calculé qu'une sous-structure complexe dans les images des trous noirs pourrait être révélée par une lentille gravitationnelle extrême – les phénomènes par lesquels des objets de grande masse provoquent la courbure de l'espace et, par conséquent, courbent le chemin de la lumière qui le traverse.

Trou noir de M87: Seigneur des anneaux

L'équipe a mené son étude, publiée dans la revue Science Advances, par exam à l'image de M87, en particulier, l'anneau d'or qui le domine. Ils notent que cet anneau devrait contenir une sous-structure d'anneaux plus petits, comme prévu par la théorie de la relativité générale, que l'EHT n'a pas pu résoudre. Et dans cette sous-structure d'anneaux se trouvent des informations sur le trou noir en question.

En regardant l'image de M87, il est impossible de ne pas remarquer qu'il est dominé par un anneau en or brillant. La théorie de la relativité générale d'Einstein, qui est utilisée pour prédire les propriétés des trous noirs, dit qu'à l'intérieur de cet anneau brillant, il devrait y avoir un «anneau de photons» qui est composé d'une séquence de sous-anneaux similaires.

«L'image d'un le trou noir contient en fait une série d'anneaux imbriqués », explique Michael Johnson du CfA. "Chaque anneau successif a à peu près le même diamètre mais devient de plus en plus net parce que sa lumière a orbité le trou noir plusieurs fois avant d'atteindre l'observateur.

Avec l'image EHT actuelle, nous avons juste aperçu la complexité complète qui devrait émerger. dans l'image d'un trou noir.

La raison pour laquelle les trous noirs ont si difficile à repérer pour les astronomes est lié à la qualité grâce à laquelle ils ont gagné leur surnom en premier lieu. Au bord d'un trou noir existe une frontière connue sous le nom d '«horizon des événements», c'est le point auquel son influence gravitationnelle sur l'espace est si extrême que même les photons ne peuvent pas échapper à son attraction.

Ce piégeage des photons signifie le noir trou projette une ombre sur l'émission lumineuse du gaz et de la poussière qui l'entoure, tombant progressivement sur sa surface. Autour de cette ombre se trouve un anneau de photons produit par le fort effet gravitationnel à l'extérieur de l'horizon des événements au voisinage du trou noir.

La vidéo ci-dessous montre des trous noirs projetant une ombre sur l'image de matériaux environnants brillants car leur fort champ gravitationnel peut courber et emprisonner la lumière. L'ombre est délimitée par un anneau lumineux lumineux, correspondant aux photons qui passent près du trou noir avant de s'échapper. L'anneau est en fait une pile de sous-chaînes de plus en plus pointues, et la n-ième sous-chaîne correspond à des photons qui ont orbité le trou noir n / 2 fois avant d'atteindre l'observateur. Cette animation montre comment une image de trou noir est formée à partir de ces sous-segments et les trajectoires des photons qui créent l'image.

Cet anneau de photons contient des informations caractéristiques sur le trou noir – sa taille, sa forme, son élan angulaire ou spin – et donc peut être utilisé comme un outil pour étudier le trou noir lui-même. Peut-être, une révélation encore plus étonnante à propos de ces anneaux est que la relativité générale nous dit que chaque anneau est composé de photons piégés qui ensemble représentent une image de l'Univers vu de la face du trou noir.

Réunissant théorie et expérience pour étudier la physique des trous noirs

L'équipe a réuni des chercheurs de divers domaines, y compris l'astronomie observationnelle, la physique théorique et l'astrophysique, pour arriver à leur conclusion.

«Réunir des experts de différents domaines nous a permis de vraiment connecter une compréhension théorique de la photon anneau à ce qui est possible avec l'observation ", remarque George Wong, un étudiant diplômé en physique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

Le logiciel de Wong a été utilisé pour produire les images de trous noirs simulées, atteignant une résolution plus élevée que précédemment calculé . Le logiciel a ensuite été utilisé pour décomposer ces images en une série prédite de sous-images. «Ce qui a commencé comme des calculs classiques au crayon et papier nous a incités à pousser nos simulations vers de nouvelles limites.»

«C'est une période extrêmement excitante pour réfléchir à la physique des trous noirs», ajoute Daniel Kapec de l'Institute for Advanced Study. «La théorie d'Einstein de la relativité générale fait un certain nombre de prédictions frappantes pour les types d'observations qui arrivent enfin à portée de main, et je pense que nous pouvons espérer de nombreuses avancées dans les années à venir.»

Kapec poursuit en expliquant que la convergence rapide entre théorie et expérience est particulièrement enrichissante pour les théoriciens. Quelque chose qui se reflète par la proximité de l'image EHT du trou noir au centre de M87 qui ressemble aux prédictions faites à partir de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Il ajoute: «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.»

Comme si cette possibilité n'était pas suffisamment excitante en soi, l'équipe pense que le ring- comme la sous-structure de l'image d'un trou noir accorde également de nouvelles techniques qui peuvent être utilisées pour imager ces événements spatio-temporels. "19651925]" Ce qui nous a vraiment surpris, c'est que, bien que les sous-chaînes imbriquées soient presque imperceptibles à l'œil nu sur les images – même des sont des signaux forts et clairs pour les réseaux de télescopes appelés interféromètres », explique Johnson. «Alors que la capture d'images de trous noirs nécessite normalement de nombreux télescopes distribués, les sous-chaînes sont parfaites pour étudier en utilisant seulement deux télescopes très éloignés. L'ajout d'un télescope spatial à l'EHT serait suffisant. "

Peut-être la chose la plus remarquable à propos de l'image prise par l'EHT l'année dernière et révélé au public en avril comme la première image d'un trou noir est la façon dont il a changé la recherche sur les trous noirs d'un domaine purement théorique à dépendant de la science expérimentale.

Alex Lupsasca de la Harvard Society of Fellows conclut: «En tant que théoricien, je suis ravi de pouvoir enfin glaner des données réelles sur ces objets auxquels nous pensons abstraitement depuis si longtemps.»

Cet article est basé sur le document de recherche: Johnson. M.D, Lupsasca. A, Strominger. A, et al, «Universal interferometric signatures of a black hole’s photon ring» (2020), Science Advances.

Cet article a été initialement publié sur The Cosmic Companion par Robert Lea. Rob est un journaliste scientifique indépendant du Royaume-Uni, spécialisé en physique, astronomie, cosmologie, mécanique quantique et bandes dessinées obscures. Voici la liste de diffusion / podcast de The Cosmic Companion . Vous pouvez lire la pièce originale ici .