Le problème avec les trous noirs, c’est qu’ils sont vraiment gros et vraiment très loin. Ils bloquent notre vision de leur dos et les signaux du côté que nous pouvons détecter sont faibles. Cela rend l’étude de la matière tourbillonnante et surchauffée qui s’y écoule (le disque d’accrétion) difficile à comprendre et encore plus difficile, voire impossible, à voir.
Mais l’été dernier, une équipe d’astronomes en rayons X a annoncé dans Nature une découverte fortuite qui offre une nouvelle façon d’étudier les trous noirs et leur environnement immédiat avec des détails à couper le souffle – avec un peu d’aide de l’une des prédictions les plus remarquables d’Einstein.
“Nous voyons la lumière provenant du morceau de gaz qui se trouve tout au fond du trou noir se plier tout autour dans notre champ de vision”, déclare Dan Wilkins, auteur principal de l’étude et chercheur au Kavli Institute for Astrophysique des particules et cosmologie, Université de Stanford.
Pour le 143e anniversaire d’Albert Einstein, Inverse célèbre le physicien le plus emblématique du monde – et interroge le mythe de son génie. Bienvenue à la Semaine Einstein.
La lumière que les astronomes détectent est une réflexion, ou un écho, d’éruptions de rayons X, émises par un halo de gaz ultra-chaud entourant le trou noir connu sous le nom de sa couronne, alors qu’elles rebondissent sur la partie du disque d’accrétion qui se trouve dans le l’ombre du trou noir.
La connexion Einstein
Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, les objets massifs comme les trous noirs déforment l’espace et le temps, ce qui à la fois amplifie la lumière et l’oblige à suivre un chemin différent de celui qu’elle aurait autrement – c’est ce qu’on appelle la lentille gravitationnelle.
Einstein et sa théorie à l’époque extravagante et non prouvée ont été catapultés vers la gloire après que l’astronome anglais, Arthur Eddington, et ses collègues aient observé ce phénomène pour la première fois lors d’une éclipse solaire totale en 1919. Les étoiles restent généralement à un endroit fixe dans le ciel, mais ceux derrière le Soleil pendant l’éclipse semblaient avoir changé de position parce que la gravité du Soleil a changé le chemin que leur lumière a pris vers la terre.
Dans une interview avec Inverse, Wilkins dit que leur expérience est une confirmation encore plus extrême de la relativité générale. Alors que la lumière des étoiles d’Eddington a été légèrement poussée par la gravité du Soleil, la trajectoire des rayons X est presque complètement déformée autour du trou noir. Cela se produit parce que les rayons X sont si proches du trou noir qu’ils sont encore plus fortement affectés par sa gravité.
“Avec tous les résultats que nous avons obtenus en relativité générale au cours des deux dernières années, je pense qu’Einstein devrait être assez satisfait que sa théorie de la relativité générale se soit avérée correcte encore et encore”, déclare Wilkins.
“Il y a tous ces phénomènes qu’il prédit – de la courbure de la lumière autour du Soleil, des lentilles gravitationnelles, des échos derrière les trous noirs, des ondes gravitationnelles, ainsi – chacune de ces prédictions s’est avérée exacte. Jusqu’à présent, nous n’avons rien trouvé que sa théorie ne résiste. »
Percer le mystère d’un trou noir
“Les trous noirs eux-mêmes sont ces choses sombres et mystérieuses”, explique Elisa Costantini, co-auteur du Nature publication et chercheur principal à l’Institut néerlandais de recherche spatiale (SRON), dans une interview avec Inverse.
Bien sûr, dit Costantini, les trous noirs ne sont pas réellement sombres, car la matière qui les entoure brille et peut même être éjectée.
“Il y a ce genre d’équilibre entre l’accrétion et l’éjection, et il y a un équilibre que nous ne comprenons pas complètement, mais qui permet au système de s’auto-entretenir.”
L’observation par écho aux rayons X a été possible car les éruptions du trou noir étaient particulièrement courtes et brillantes. En février, la même équipe a publié un deuxième article utilisant les mêmes observations pour démêler la cause des éruptions de rayons X. Le but ultime de cette recherche est de développer un nouvel outil pour cartographier l’environnement des trous noirs et même pour mieux mesurer d’autres propriétés fondamentales comme la masse et la vitesse à laquelle ils tournent.
“C’est une période vraiment passionnante pour l’astronomie des rayons X et l’étude des trous noirs”, déclare Wilkins.
Des télescopes à rayons X plus grands et meilleurs commencent à être mis en ligne, notamment l’explorateur de polarimétrie à rayons X d’imagerie de la NASA, IXPE, qui a été lancé en décembre 2021. Deux nouveaux télescopes à rayons X devraient être lancés l’année prochaine : le JAXA / NASA X -ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) et le satellite polarimètre à rayons X (XPoSat) de l’Organisation indienne de recherche spatiale, ISRO. A long terme, l’Agence spatiale européenne lancera Athena “le plus grand observatoire à rayons X jamais construit” au début des années 2030.
“Le vrai rêve est d’avoir une vision plus claire de ce qui se passe juste en dehors de l’horizon des événements”, dit Wilkins, “et aussi de pouvoir regarder les trous noirs qui sont plus loin, donc… nous regardons il y a plus longtemps, donc nous sommes en mesure de voir plus en détail comment les trous noirs se sont développés et comment ils ont évolué avec leurs galaxies.”
À son 143e anniversaire, Inverse célèbre le physicien le plus emblématique du monde – et interroge le mythe de son génie. Bienvenue à Semaine Einstein.