Les trous noirs sont considérés comme des gloutons cosmiques, d’où même la lumière ne peut s’échapper. C’est aussi pourquoi les images des trous noirs au centre de la galaxie M87 et de notre Voie lactée, publiées il y a quelques années par la collaboration Event Horizon Telescope (EHT), ont innové.
« Ce que vous voyez sur ces images n'est pas le trou noir lui-même, mais plutôt la matière chaude qui se trouve à proximité immédiate », explique le professeur Luciano Rezzolla, qui, avec son équipe de l'université Goethe de Francfort, a joué un rôle clé dans ces découvertes.
« Tant que la matière tourne encore en dehors de l'horizon des événements – avant d'être inévitablement attirée – elle peut émettre des signaux lumineux finaux que nous pouvons, en principe, détecter. »
Les images montrent essentiellement l’ombre du trou noir. Cette découverte ouvre désormais la possibilité d’examiner de près les théories derrière ces objets cosmiques extrêmes.
Jusqu’à présent, la théorie de la relativité générale d’Einstein est considérée comme la référence en physique en matière de description de l’espace et du temps. Il prédit l’existence de trous noirs comme solutions spéciales, ainsi que toutes leurs particularités. Cela inclut l’horizon des événements, au-delà duquel tout, y compris la lumière, disparaît.
« Il existe cependant d'autres théories encore hypothétiques qui prédisent également l'existence de trous noirs. Certaines de ces approches nécessitent la présence de matière aux propriétés très spécifiques ou même la violation des lois physiques que nous connaissons actuellement », explique Rezzolla.
En collaboration avec des collègues de l'Institut Tsung-Dao Lee de Shanghai (Chine), le physicien basé à Francfort a présenté dans la revue une nouvelle possibilité de vérifier de telles théories alternatives. Astronomie naturelle.
Jusqu’à présent, il n’existait aucune donnée solide permettant de réfuter ou de confirmer ces théories – ce que les chercheurs prévoient de changer à l’avenir en utilisant des images d’ombre de trous noirs supermassifs.
« Cela nécessite deux choses », explique Rezzolla. « D'une part, des images d'ombres haute résolution des trous noirs pour déterminer leur rayon aussi précisément que possible, et d'autre part, une description théorique de l'ampleur avec laquelle les différentes approches s'écartent de la théorie de la relativité d'Einstein. »
Les scientifiques ont maintenant présenté une description complète de la manière dont les différents types de trous noirs hypothétiques s'écartent de la théorie de la relativité et de la manière dont cela se reflète dans les images d'ombre.
Pour étudier cela, l’équipe a mené des simulations informatiques tridimensionnelles très complexes qui reproduisent le comportement de la matière et des champs magnétiques dans l’espace-temps courbe entourant les trous noirs. À partir de ces simulations, les chercheurs ont ensuite généré des images synthétiques du plasma lumineux.
« La question centrale était la suivante : dans quelle mesure les images de trous noirs diffèrent-elles selon les différentes théories ? » explique l'auteur principal Akhil Uniyal de l'Institut Tsung-Dao Lee.
Ils ont pu en déduire des critères clairs qui, avec les futures mesures à haute résolution, pourraient souvent permettre de prendre une décision en faveur d'une théorie spécifique. Même si les différences d'images sont encore trop faibles avec la résolution actuelle de l'EHT, elles augmentent systématiquement avec l'amélioration de la résolution.
Pour résoudre ce problème, les physiciens ont développé une caractérisation universelle des trous noirs qui intègre des approches théoriques très différentes.
« L'une des contributions les plus importantes de la collaboration EHT à l'astrophysique consiste à transformer les trous noirs en objets testables », souligne Rezzolla.
« Nous espérons que la théorie de la relativité continuera à faire ses preuves, comme elle l'a fait à maintes reprises jusqu'à présent. »
Jusqu’à présent, les résultats concordent avec la théorie d’Einstein. Cependant, l'incertitude de mesure est encore si élevée que seules quelques possibilités très exotiques ont été exclues.
Par exemple, il est peu probable que les deux trous noirs au centre de M87 et de notre Voie lactée soient ce que l’on appelle des singularités nues (sans horizon des événements) ou des trous de ver – seulement deux des nombreuses autres possibilités théoriques qui doivent être vérifiées.
« Même la théorie établie doit être continuellement testée, en particulier avec des objets extrêmes comme les trous noirs », ajoute le physicien. Ce serait révolutionnaire si la théorie d’Einstein s’avérait un jour invalide.
L'EHT offre des possibilités exceptionnelles pour de telles mesures. Cette collaboration de plusieurs grands radiotélescopes à travers le monde atteint une résolution équivalente à celle d’un télescope de la taille de la Terre, permettant pour la première fois une vue nette de l’environnement immédiat des trous noirs. À l’avenir, d’autres télescopes sur Terre devraient être intégrés à l’EHT.
Les scientifiques espèrent également un radiotélescope dans l’espace, qui améliorerait considérablement la résolution globale. Avec une vue à si haute résolution, il serait possible de soumettre diverses théories sur les trous noirs à un test rigoureux.
Comme le montre l’étude récemment présentée, cela nécessite des résolutions angulaires inférieures à un millionième de seconde d’arc, comparable à l’observation d’une pièce de monnaie sur la Lune depuis la Terre. Même si cela dépasse les capacités actuelles, cela devrait être réalisable dans quelques années.
