Le premier trou noir jamais observé par l'homme scintille dans l'espace

M87* présente une nouvelle particularité : il scintille et oscille dans le temps, selon de nouvelles recherches.
Sandra  Proutry-Skrzypek
Paris, FR
7.10.20
trou noir m87 espace univers
Image : keanu2 via Getty  

En avril 2019, des astronomes ont dévoilé un étonnant portrait de M87*, le trou noir supermassif situé à 55 millions d'années-lumière de nous au cœur de la galaxie Messier 87. Obtenue à partir de l’Event Horizon Telescope (EHT), cette image est la toute première que nous ayons d’un trou noir.

Aujourd'hui, les scientifiques ont démontré que la luminosité du trou noir vacille et varie dans le temps. Cette dynamique pourrait permettre d'acquérir de nouvelles connaissances sur ce trou noir particulier, ainsi que sur l'évolution des structures cosmiques en général.

Pour comprendre comment M87* évolue dans le temps, une équipe internationale dirigée par Maciek Wielgus, chercheur à la Black Hole Initiative de l'Université de Harvard, a reconstitué le comportement du trou noir à partir d'observations faites au moyen de radiotélescopes entre 2009 et 2017, selon une étude publiée récemment dans The Astrophysical Journal.

« Nous voulons comprendre la physique fondamentale à proximité d'un trou noir et apprendre comment le trou noir interagit avec la matière dans son environnement, explique Wielgus. En étudiant la dynamique de l'aspect en croissant d'un trou noir, nous pourrons sonder cet environnement fascinant. »

Avec une masse estimée à 6,5 milliards de fois celle de notre Soleil, M87* est un trou noir géant qui se trouve au cœur de la galaxie Messier 87, où il se nourrit d'étoiles, de gaz ou de toute autre matière qui s'approche un peu trop.

Le centre de l'image capturée par l’EHT révèle la bordure du trou noir, appelé horizon des événements, d’où aucune lumière ou matière ne peut échapper. La structure orange, appelée disque d’accrétion, correspond à la matière surchauffée autour du trou noir. Cet anneau semble être plus brillant au fond car la matière tourne en direction de la Terre, ce qui lui donne un éclat supplémentaire en raison de l'effet Doppler.

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L’image du trou noir a été composée en 2017, lorsque l'EHT a relié huit observatoires répartis sur quatre continents. Selon Wielgus, les observations précédentes de l'EHT donnent des indices sur les structures de base de l'objet. Bien que ces données plus anciennes ne soient pas assez détaillées pour générer des images, l'équipe a pu élaborer des modèles géométriques et réaliser des simulations visuelles du trou noir au cours de ces années.

À l’époque, ces premiers ensembles de données avaient été négligés, car l'équipe de l'EHT était focalisée sur les mesures de haute qualité qui ont permis d’obtenir l'image de M87* en 2019. Lorsque Wielgus et ses collègues ont pris connaissance de ces données, ils ont compris qu'ils pouvaient adapter les anciens jeux de données aux détails complexes de l'image finale afin de créer une histoire visuelle approximative du trou noir.

« C'était un peu surprenant de voir à quel point les anciens ensembles de données ont un pouvoir contraignant sur les modèles, quand nous les analysons avec les outils statistiques puissants récemment développés, dit Wielgus. Ce travail est donc passé d'un simple contrôle de cohérence à un projet visant à déterminer que ces anciennes données, analysées ensemble, peuvent nous apprendre exactement sur le M87* et sa variabilité. »

black hole simulation

Graphique montrant les simulations du trou noir en fonction de l'évolution de l'EHT dans le temps. Image : M. Wielgus, D. Pesce

La chronologie qui en résulte démontre que la position et la luminosité de l'objet sont influencées par la forte turbulence du disque d'accrétion, causée par les forces de marée à proximité de l'horizon des événements.

La danse ondulante et scintillante du trou noir au fil du temps est fascinante à regarder, mais c'est aussi une fenêtre utile sur la dynamique cachée de ces mastodontes cosmiques. La région proche d'un horizon des événements est l'une des plus étranges de l'univers, et elle constitue un terrain d'essai idéal pour la physique fondamentale, comme la théorie de la relativité générale d'Einstein.

« Le voisinage d'un trou noir est un environnement extrême où les champs magnétiques, l'hydrodynamique, la relativité et la physique des particules se confondent en un système physique compliqué et enchevêtré, dit Wielgus. Les énergies en jeu sont énormes ; le gaz tourbillonne à des vitesses approchant celle de la lumière et se réchauffe jusqu'à des milliards de degrés. C'est donc vraiment un laboratoire fascinant pour comprendre la physique fondamentale ; un laboratoire que nous ne pourrions jamais recréer ici sur Terre. »

« La grande question est de savoir quelle est la rotation de M87*, à quelle vitesse il tourne, et quel est l'effet de cette rotation sur son environnement, sur la quantité de matière et d'énergie avalée par le trou noir, puis éjectée du système ou irradiée, poursuit Wielgus. Il y a tellement de choses que nous ne comprenons pas encore ! »

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