Il y a des anneaux de lumière infinis autour des trous noirs. Voici comment nous pourrions les voir

Il y a des anneaux de lumière infinis autour des trous noirs. Voici comment nous pourrions les voir

 

Il y a un an, l’histoire est entrée dans l’histoire. Le long travail minutieux des scientifiques du monde entier a produit la toute première image directe de l’horizon des événements d’un trou noir , un monstre supermassif appelé M87 * éloigné de 55 millions d’années-lumière. Cette image glorieuse, dorée et floue a confirmé bon nombre de nos idées sur les trous noirs .

 

Mais la science ne s’est pas arrêtée lorsque l’image est entrée. Une équipe de scientifiques a maintenant effectué des calculs basés sur ce que nous avons appris de M87 * combiné avec les prédictions de relativité générale [19459003 ], pour prédire davantage comment un jour nous pourrions voir ces objets de manière beaucoup plus détaillée.

Les trous noirs sont d’une intensité incroyablement gravitationnelle. Non seulement ils sont si massifs que même la vitesse de la lumière est trop lente pour atteindre la vitesse de fuite contre leur attraction gravitationnelle, ils courbent également le chemin du passage de la lumière autour d’eux, au-delà de l’horizon des événements.

Si un photon qui passe est un peu trop près, il sera piégé en orbite autour du trou noir . Cela crée ce qu’on appelle un «anneau de photons» ou « sphère de photons », un anneau de lumière parfait prévu pour entourer le trou noir, à l’intérieur du bord intérieur du disque d’accrétion, mais en dehors de l’horizon des événements.

Ceci est également connu comme l’orbite stable la plus intérieure, et vous pouvez le voir dans l’image ci-dessous, créée par l’astrophysicien Jean-Pierre Luminet en 1978 .

jpl black hole (Jean-Pierre Luminet)

Des modèles de l’environnement du trou noir suggèrent que l’anneau de photons devrait créer une sous-structure complexe composée de des anneaux de lumière infinis – un peu comme l’effet que vous voyez dans un miroir à l’infini .

“L’image d’un trou noir contient en fait une série d’anneaux imbriqués” , a expliqué l’astrophysicien Michael Johnson du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

“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 à l’image de tout trou noir. ”

m87 (Event Horizon Telescope)

Dans cette première image historique de M87 * (ci-dessus), nous pouvons voir le disque d’accrétion – c’est la partie orange-or brillant. La partie noire au centre est l’ombre du trou noir. Nous ne pouvons pas réellement voir la sphère de photons, car l’anneau est très fin et la résolution n’est pas assez élevée pour le distinguer, mais il devrait s’asseoir autour du bord de l’ombre du trou noir.

Si nous pouvions le voir, cet anneau nous dirait des choses très importantes sur le trou noir. La taille de l’anneau peut nous indiquer la masse, la taille et la rotation du trou noir. Nous pouvons les déterminer à partir du disque d’accrétion, mais l’anneau de photons nous permettrait de contraindre davantage les données, pour une mesure plus précise.

“Chaque sous-chaîne est constituée de photons orientés vers l’écran de l’observateur après avoir été collectés par la coquille de photons de n’importe où dans l’Univers”, les chercheurs ont écrit dans leur article .

“Par conséquent, dans un cadre idéalisé sans absorption, chaque sous-chaîne contient une image démagnifiée exponentielle distincte de l’Univers entier, chaque sous-chaîne suivante capturant l’Univers visible à un moment antérieur.

“Ensemble, l’ensemble des sous-chaînes s’apparente aux images d’un film, capturant l’histoire de l’Univers visible vu du trou noir.”

Donc, Johnson et son équipe a utilisé la modélisation pour déterminer la faisabilité de la détection des anneaux de photons dans de futures observations. Ils ont constaté que cela pouvait être fait, mais ce ne serait pas facile.

L’imagerie M87 * était un exploit d’ingéniosité et de coopération. Des télescopes du monde entier ont travaillé ensemble pour créer un interféromètre à très longue ligne de base appelé Event Horizon Telescope, où les distances précises et les différences de temps entre les télescopes du réseau peuvent être calculées pour assembler les i r observations. C’est – en termes très, très simples – comme avoir un seul télescope de la taille de la Terre.

“Ce qui nous a vraiment surpris, c’est que si les sous-segments imbriqués sont presque imperceptibles à l’œil nu sur les images – même parfaites – ce sont des signaux forts et clairs pour des réseaux de télescopes appelés interféromètres, “ Johnson a dit .

“Bien 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 au Event Horizon Telescope serait suffisant.”

lagrange points (NASA / Xander89 / Wikimedia Commons, CC BY 3.0)

Mettre un télescope en orbite terrestre basse est un bon début , mais nous obtiendra seulement un tir clair de l’un des anneaux.

Pour détecter le deuxième sous-segment, il faudrait aller un peu plus loin que l’orbite terrestre basse, en mettant un télescope sur la Lune. Et pour le troisième, encore plus loin, au-delà de la Lune dans une position stable créée par l’interaction gravitationnelle Soleil-Terre appelée point de Lagrange , L2 dans le diagramme ci-dessus.

Rien de tout cela n’est impossible. La NASA prévoit une mission en équipage sur la Lune. Et nous avons déjà un certain nombre de satellites assis en L2. Évidemment, cela ne se produira pas demain, mais c’est un objectif excitant à atteindre pour la prochaine génération du télescope Event Horizon.

La recherche a été publiée dans Science Advances .

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