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Voie lactée : l'horizon du trou noir supermassif bientôt révélé ?

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L'Europe vient d'allouer 14 millions d'euros aux membres du projet BlackHoleCam, qui s'inscrit lui-même dans une collaboration mondiale du nom d'Event Horizon Telescope. Le but ? Rien de moins que la constitution d'un radiotélescope virtuel géant dont la résolution permettra d'observer l'horizon de notre trou noir supermassif central.

Voilà comment devrait se manifester en fausses couleurs l'horizon du trou noir supermassif de notre Voie lactée lorsqu'il sera observé par le futur radiotélescope des collaborations BlackHoleCam et Event Horizon Telescope. Le champ de gravitation du trou noir doit en effet dévier les ondes radio de manière à produire une sorte d'anneau de lumière entourant l'horizon des événements pour un observateur extérieur. Une telle image permettra de démontrer que la théorie de la relativité générale et celle des trous noirs sont exactes. À l'inverse, des écarts pointeront en direction d'une nouvelle physique. © Université Radboud de Nimègue

On va bientôt fêter le centenaire de la découverte de la relativité générale d'Einstein. Lorsqu'il a publié la forme finale de sa théorie en mars 1916, Einstein n'imaginait sans doute pas qu'elle conduirait à des découvertes aussi extraordinaires que celles du rayonnement fossile et des quasars. Malgré ces succès impressionnants, la théorie de la relativité générale ne nous apparaît pas comme aussi bien testée que la théorie de la relativité restreinte, bien que l'affaire des neutrinos transluminiques d'Opera l'a fait vaciller temporairement. Mais comme tout le monde ou presque s'y attendait, il s'agissait d'une erreur de mesure. De l'existence de l'antimatière au ralentissement des horloges en passant par la physique des particules au LHC, personne n'a encore trouvé de contradiction entre l'expérience et les conséquences de l'existence de l'espace-temps plat de Minkowski sous-jacent à la théorie de la relativité restreinte.

Le cas de la relativité générale est quelque peu différent. Il y a finalement assez peu de tests de la théorie de la gravitation d'Einstein. Surtout, ils ne s'appliquent que dans des situations où le champ de gravitation est faible, à l'exception des pulsars binaires qui ont permis de vérifier indirectement l'existence des ondes gravitationnelles. C'est pourquoi les astrophysiciens voudraient avoir accès à des processus astrophysiques où le champ de gravitation est vraiment fort. C'est le cas avec la physique des trous noirs, qui s'impose tout de suite à l'esprit.

Vue d'artiste des radiotélescopes qui seront impliqués dans les projets BlackHoleCam et Event Horizon Telescope. En effectuant de la synthèse d'ouverture par interférométrie à très grande base, il sera possible de mettre en évidence l'horizon du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. © Université Radboud de Nimègue

Horizon des événements et métrique de Kerr

Deux prédictions fondamentales concernent les trous noirs. Prenons d'abord celle de l'existence d'un horizon des événements, c'est-à-dire une surface fermée entourant une région de l'espace d'où rien ne peut ressortir, pas même la lumière. Il s'agit là en réalité de la véritable définition d'un trou noir, et pas du tout le fait qu'il soit éventuellement un astre très dense ou qu'existe à l'intérieur de l'astre une singularité de l'espace-temps. La seconde prédiction concerne la géométrie de l'espace-temps autour d'un trou noir, et la façon dont il se comporte lorsqu'on le perturbe, par exemple à l'occasion d'une fusion avec un autre trou noir. Cette géométrie doit être décrite par la fameuse solution de Kerr décrivant un trou noir en rotation. Elle est totalement fixée lorsque l'on connaît la masse et le moment cinétique du trou noir. Ce n'est pas le cas pour un astre comme la Terre ou le Soleil, car il faut tenir compte du caractère inhomogène de ces astres au moyen de ce qu'on appelle des développements multipolaires du potentiel de gravitation.

Il existe un moyen puissant pour tester ces deux prédictions de la physique des trous noirs : celui de l'astronomie gravitationnelle. L'Europe compte bien se tailler la part du lion dans cette discipline avec le projet eLisa. Toujours dans le but de démontrer l'existence des trous noirs, c'est-à-dire la présence d'un horizon des événements, le Conseil européen de la recherche vientt d'attribuer 14 millions d'euros à une équipe d'astrophysiciens européens qui s'est lancée dans le projet BlackHoleCam. Celui-ci s'insère dans une collaboration internationale du nom d'Event Horizon Telescope.

Si la théorie de la relativité générale est la bonne description relativiste de la gravitation, le trou noir central de la Voie lactée doit être décrit par la métrique de Kerr. Le radiotélescope virtuel de la collaboration Event Horizon Telescope devrait alors former l'image que l'on voit ici, obtenue par simulation numérique. © D. Psaltis, A. Broderick

Trou noir, trou de ver ou gravastar ?

L'idée de base consiste à faire de la synthèse d'ouverture par interférométrie avec des radiotélescopes répartis sur la Terre, comme Alma ou ceux de l'Institut de radioastronomie millimétrique (Iram). De cette façon, on peut atteindre dans le domaine des ondes radio une résolution extraordinaire, qui permettrait dans le visible d'observer une pomme à la surface de la Lune depuis la Terre. Avec un tel radiotélescope virtuel de grande taille, on peut théoriquement obtenir une image de l'horizon des événements du trou noir supermassif de la Voie lactée.

Nous sommes certains que Sagittarius A* est un objet très particulier depuis que nous l'avons mis en évidence en utilisant les mouvements des étoiles autour de cette source radio au cœur de notre Galaxie. Les chercheurs savent qu'il s'agit d'un objet de petite taille, mais contenant l'équivalent de quatre millions de masses solaires et ne rayonnant pas dans le visible. La seule explication vraiment convaincante de son existence est celle d'un trou noir, mais il nous manque la preuve définitive, qui serait l'observation d'un horizon des événements. Il reste encore quelques alternatives très exotiques qui ne sont pas des trous noirs, comme les gravastars ou encore les trous de ver.

Si la théorie de la relativité générale n'est pas la bonne description relativiste de la gravitation, la métrique de Kerr pour un trou noir en rotation ne doit pas décrire correctement le trou noir supermassif de notre Galaxie. Le radiotélescope virtuel de la collaboration Event Horizon Telescope pourrait alors former l'image que l'on voit ci-dessus, obtenue par simulation numérique à partir d'une modification possible de la métrique de Kerr. © D. Psaltis, A. Broderick

Mais si Sagittarius A* est effectivement un trou noir supermassif entouré par un disque d'accrétion, le rayonnement radio qui y est produit près de l'horizon du trou noir doit être affecté de façon significative par son horizon. Si l'on arrive bien à atteindre une résolution d'une taille inférieure à deux fois le rayon de Schwarzschild du trou noir, on devrait alors voir en quelque sorte l'ombre du trou noir dans son rayonnement radio, ou plus exactement une zone sombre entourée par un anneau brillant caractéristique. Cette zone résulte du fait que l'horizon des événements bloque et absorbe une partie des émissions radio aux abords du trou noir.

Au-delà de la relativité générale avec la VLBI ?

Les chercheurs se proposent de faire encore mieux. Les pulsars peuvent être vus comme des horloges naturelles très précises, sensibles au champ de gravitation d'un trou noir supermassif ainsi qu'aux champs magnétiques que celui-ci génère en accrétant de la matière. On ne connaît pour le moment qu'un seul pulsar proche de Sagittarius A*, mais avec le projet Event Horizon Telescope, on compte bien en découvrir d'autres.

Quand cela sera fait, la puissance des ordinateurs modernes permettra de combiner les observations des orbites des étoiles autour de notre trou noir central avec les mesures obtenues par interférométrie à très longue base (very long baseline interferometry ou VLBI en anglais) concernant son ombre et les pulsars qui l'entourent. On aura donc une bien meilleure connaissance de la nature de Sagittarius A*. Cela permettra, via le comportement de la matière et de la lumière, de faire passer de nouveaux tests aussi bien à la relativité générale qu'à la théorie des trous noirs, et cela avant la mise en service d'eLisa. D'ici là, on peut aussi imaginer que les travaux concernant la matière noire et Mond nous aient déjà forcés à adopter une nouvelle théorie relativiste de la gravitation.