En avril 2019, l'histoire de la collaboration Event Horizon Telescope est entrée dans l'histoire lorsqu'elle a publié la première image d'un trou noir jamais prise. Cette réalisation a duré des décennies et a déclenché un cirque médiatique international. L'image était le résultat d'une technique connue sous le nom d'interférométrie, où les observatoires du monde entier ont combiné la lumière de leurs télescopes pour créer une image composite.
Cette image a montré ce que les astrophysiciens ont prédit depuis longtemps, que la flexion gravitationnelle extrême fait tomber les photons autour de l'horizon des événements, contribuant aux anneaux lumineux qui les entourent. La semaine dernière, le 18 mars, une équipe de chercheurs du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) a annoncé de nouvelles recherches qui montrent comment les images des trous noirs pourraient révéler une sous-structure complexe en leur sein.
L’étude qui décrit leurs résultats, intitulée «Signatures interférométriques universelles de l’anneau de photons d’un trou noir», a récemment paru dans la revue Avancées scientifiques. L'équipe était dirigée par Michael Johnson, un astrophysicien du CfA, et des membres induits de la Black Hole Initiative (BHI) de Harvard, du Los Alamos National Laboratory, du Princeton Center for Theoretical Science et de plusieurs universités.
Comme Johnson l'a expliqué dans un récent communiqué de presse de la CfA:
«L'image d'un trou noir contient en fait une série d'anneaux imbriqués. Chaque anneau successif a à peu près le même diamètre mais devient de plus en plus net parce que sa lumière a orbité plusieurs fois le trou noir avant d'atteindre l'observateur. Avec l’image EHT actuelle, nous n’avons qu’un aperçu de toute la complexité qui devrait apparaître dans l’image de tout trou noir. »
Comme nous le dit la loi de la relativité générale, les champs gravitationnels modifient la courbure de l'espace-temps. Dans le cas d'un trou noir, l'effet est extrême et fait que même la lumière (photons) s'infiltre autour d'eux. Ces photons jettent une ombre sur l'anneau lumineux de gaz et de poussière infaillibles qui est accéléré à des vitesses relativistes par la gravité du trou noir.
Autour de cette région ombragée se trouve un «anneau de photons» produit à partir de photons concentrés par la forte gravité près du trou noir. Cet anneau peut en dire beaucoup aux astronomes sur un trou noir car sa taille et sa forme révèlent la masse et la rotation (aka. "Spin") du trou noir. En raison des images EHT, les chercheurs de trous noirs ont maintenant un outil pour étudier les trous noirs.
Depuis les années 1950, les astronomes ont beaucoup appris sur eux en étudiant leurs effets sur leur environnement. En d'autres termes, l'étude des trous noirs a été de nature indirecte et théorique. Mais avec la possibilité de prendre des images de ces objets célestes, les astronomes peuvent enfin les étudier directement et glaner des données réelles.
George Wong, étudiant diplômé en physique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, était responsable du développement d'un logiciel pour produire des images de trous noirs simulées. Ce logiciel est ce qui a permis de calculer des images ayant la résolution la plus élevée à ce jour et leur équipe a pu les décomposer en la série de sous-images prévue. Comme Wong l'a indiqué:
«Rassembler des experts de différents domaines nous a permis de vraiment relier une compréhension théorique de l'anneau photonique à ce qui est possible avec l'observation. Ce qui a commencé comme des calculs classiques au crayon et papier nous a incités à pousser nos simulations vers de nouvelles limites. »
Ce qui était particulièrement surprenant pour les chercheurs, cependant, était de savoir comment la sous-structure révélée par l'image du trou noir crée de nouvelles opportunités pour la recherche. Bien que les sous-segments qu'ils ont révélés soient normalement invisibles à l'œil nu sur les images, ils produisent des signaux très clairs lorsqu'ils sont observés par des réseaux de télescopes utilisant l'interférométrie.
Cela offre aux astronomes un moyen relativement facile d'étendre les travaux menés jusqu'à présent par la collaboration EHT. "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'un de l'autre", a déclaré Johnson. "L'ajout d'un télescope spatial à l'EHT serait suffisant."
Les domaines de l'astronomie et de l'astrophysique ont connu de multiples révolutions ces dernières années. Entre les premières observations d'objets interstellaires, la confirmation des ondes gravitationnelles et les premières observations directes d'un trou noir. Ces premières ont permis des recherches qui promettent de percer un certain nombre de mystères persistants sur le cosmos.
Les recherches de l’équipe ont été rendues possibles en partie grâce à des subventions accordées par la NASA, la National Science Foundation (NSF), le Department of Energy (DoE) et plusieurs fondations scientifiques et de recherche.
