Première image d'un trou noir supermassif. © Event Horizon Telescope
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Event Horizon Telescope : le trou noir M87* possède-t-il des « charges électriques» exotiques ?

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[EN VIDÉO] Le scientifique prodige Albert Einstein  Découvrez le portrait d'Albert Einstein, génial scientifique né en Allemagne en mars 1879 et mort aux États-Unis en 1955. Sa théorie fondamentale de la relativité a bouleversé la conception humaine du temps, de l'espace et de l'univers. Nous vous présentons ici un éclairage Futura sur sa vie, ses découvertes et son génie... 

Avant les années 1960, la relativité générale était considérée comme une théorie fascinante mais se prêtant mal aux tests et avec peu de pertinence pour l'astrophysique, voire avec la physique fondamentale alors dominée par la théorie quantique des particules élémentaires. Tout a bien changé aujourd'hui comme le prouve l'utilisation des images du trou noir M87* pour tenter de démontrer l'existence de trous noirs exotiques, solutions d'équations différentes de celles de la théorie de la gravitation d'Einstein.

Au début des années 2000, l'espoir était grand non seulement de découvrir des particules de matière noire avec le LHC mais peut-être aussi de percer les secrets de l’écume de l’espace-temps en créant des trous noirs quantiques avec ce mythique accélérateur de protons du Cern. Hélas, aucun de ces espoirs ne s'est encore concrétisé et on peut même dire que la physique des particules a subi une douche froide malgré la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs.

Toutefois, la fin des années 2010 a vu non seulement la confirmation de l'existence des ondes gravitationnelles et la corroboration de la théorie des trous noirs via l’étude de ces ondes mais aussi l'obtention de la première image d’un trou noir, en l'occurrence supermassif, avec l'ombre de son horizon des événements grâce aux membres de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT). Or, il apparaît comme tout à fait possible que ces deux révolutions observationnelles dans le domaine de la physique des trous noirs nous fournissent enfin des preuves de l'existence de la matière noire ou d'effets de gravitation quantique.

Une présentation du succès de l'Event Horizon Telescope qui vient de livrer la première image d'un trou noir, celle de celui qui est supermassif et qui se trouve au cœur de la galaxie elliptique M87 à environ 53 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Perimeter Institute for Theoretical Physics

Des trous noirs bien visibles

Malheureusement, ni Stephen Hawking et ni John Wheeler n'étaient plus là pour assister à ces deux évènements. En revanche, d'autres pionniers de l'âge d'or de la théorie des trous noirs au cours des années 1960-1970,  Kip Thorne et Roger Penrose, tout deux devenus ces dernières années prix Nobel de physique, sont toujours avec nous.

Il est raisonnable aujourd'hui de penser qu'ils ont un certain intérêt à la lecture d'un article publié dans la prestigieuse revue Phys. Rev. D par une équipe de chercheurs, membres de la collaboration EHT, dirigée par Prashant Kocherlakota et Luciano Rezzolla de l'Institut de physique théorique de l'Université Goethe de Francfort, en Allemagne.

En effet, ils ont poussé un cran plus loin les analyses des données fournies par le réseau de radiotélescopes de l'EHT -- au point de poser de nouvelles contraintes sur des alternatives à la théorie de la relativité générale d'Einstein -- et qui possèdent des solutions décrivant des trous noirs plus exotiques que celles de Schwarzschild et Kerr. Ces trous noirs peuvent posséder des sortes de « charges électriques » qui sont des cousines de celles que nous connaissons déjà avec la théorie électromagnétique de Maxwell.

De prime abord, l'image du trou noir M87* ressemble beaucoup à celle que l'astrophysicien et cosmologiste français Jean-Pierre Luminet avait été le premier à calculer de façon réaliste à l'aide d'un ordinateur à la fin des années 1970. Une version plus précise avait été obtenue une dizaine d'années plus tard par son collègue astrophysicien Jean-Alain Marck, hélas décédé trop tôt.

Jean-Pierre Luminet a expliqué en détail, en français et en anglais, sur le blog que Futura a mis à sa disposition, l'origine et les caractéristiques des images des trous noirs entourés d'un disque d'accrétion avec un plasma chaud que l'on pouvait s'attendre à voir. Il retrace aussi l'histoire de l'astrophysique relativiste à ce sujet.

Une illustration réalisée par Jean-Pierre Luminet à partir des résultats d'une simulation sur ordinateur montrant l'aspect d'un trou noir entouré d'un disque d'accrétion. L'effet Doppler produit par la matière chaude en rotation la rend plus lumineuse lorsqu'elle s'approche de nous à une fraction notable de la vitesse de la lumière et au contraire la rend presque sombre lorsqu'elle s'éloigne (à droite). Le champ de gravitation du trou noir est si fort que les rayons lumineux issus du disque derrière le trou noir sont courbés en direction de l'observateur et que l'on peut donc voir ce disque au-dessus du trou noir. © Jean-Pierre Luminet, CNRS Photothèque
Les astrophysiciens ont obtenu la première image d'un trou noir en utilisant les observations du télescope Event Horizon du centre de la galaxie M87. L'image montre un anneau lumineux formé par la lumière qui se courbe de manière intense autour d'un trou noir 6,5 milliards de fois plus massif que le Soleil. L'angle de vue n'est pas le même mais la ressemblance avec le dessin réalisé par Jean-Pierre Luminet est frappante. © Event Horizon Telescope Collaboration

En quête des ombres d'une nouvelle physique

Il faut cependant garder à l'esprit que nous n'en sommes encore qu'au début de l'imagerie des trous noirs et que, en gagnant en précision, on peut découvrir d'éventuelles différences entre les caractéristiques des images réalisées et ce que prédit la théorie des trous noirs.

Si l'on utilise que la théorie d'Einstein de la gravitation (mais il en existe d'autres qui font aussi intervenir un ou des champs scalaires, vectoriels et tensoriels comme disent les physiciens dans leur jargon), alors on peut montrer qu'il existe des familles de solutions rigoureusement exactes et uniques des équations d'Einstein décrivant des trous noirs. Ces familles supposent qu'un trou noir a bien évidemment une masse M mais qu'il peut aussi être en rotation avec un moment cinétique J. Un trou noir peut théoriquement posséder aussi une charge électrique et, si un jour, on découvrait des monopôles magnétiques du genre de ceux proposés par Paul Dirac (à qui l'on doit notamment la découverte théorique de l'antimatière et la formulation la plus générale de la mécanique quantique), il pourrait être magnétiquement chargé également. Mais tout indique qu'un trou noir électriquement chargé devrait très rapidement perdre sa charge.

Ces considérations sont mathématiquement et physiquement justifiées tant que l'on utilise uniquement les équations d'Einstein pour décrire les variations de courbures de l'espace-temps. Mais des alternatives à ces équations existent, notamment dans le cadre de la théorie des supercordes. Cette théorie va ainsi doter les trous noirs d'autres quantités conservées analogues à la charge électrique. On parle par exemple de trous noirs dilatoniques ou axioniques. Les trous noirs axioniques sont particulièrement intéressants car ils sont liés à un nouveau champ dont on ne sait pas très bien s'il ne pourrait pas être identifié avec un autre champ postulé pour décrire un modèle de matière noire sous forme de particules appelées axions.

On peut estimer la masse du trou noir M87* en étudiant les mouvements des étoiles autour de lui. Une solution des équations d'Einstein avec la masse de M87* implique une image et une taille données pour l'ombre de l'horizon des événements d'un trou noir. Des théories de la gravitation alternatives avec en plus des sortes de charges électriques exotiques implique des images différentes avec des tailles d'horizon des événements plus petite comme l'explique cette vidéo. L'EHT permet donc de tester de nouvelles théories de la gravitation et l'existence de trous noirs exotiques. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © BlackHoleCam

Un exemple de ce genre de trou noir exotique, avec une charge qui l'est tout autant, est celui de la solution de la théorie des cordes découverte au début des années 1990 par le physicien indien Ashoke Sen. Les membres de l'EHT ont justement cherché à savoir si M87* ne pouvait pas être un trou noir dit de Kerr-Sen, en rotation et en présence de champs dilatonique et axionique.

On peut définir, comme souvent, un espace de paramètres pour les solutions trous noirs exotiques. Pour le moment, les observations de l'EHT sont compatibles avec certaines de ces solutions avec des charges exotiques. Mais cela ne veut nullement dire que nous disposons d'arguments pour certaines théories relativistes de la gravitation qui sont des alternatives à celles d'Einstein. En fait, les équations d'Einstein avec un trou noir de Kerr standard sont tout aussi compatibles avec les observations.

Tout cela pourrait changer dans les années qui viennent car d'autres trous noirs seront étudiés avec l'EHT.

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