Le satellite Chandra a été utilisé pour déterminer précisément les vitesses de grumeaux de matière dans un des jets produits par le trou noir supermassif M87*, le premier du genre imagé grâce aux membres de l'Event Horizon Telescope. Deux grumeaux semblent se déplacer en s'éloignant plus vite que la lumière. Faut-il remettre en cause la théorie de la relativité d'Einstein qui a tenu bon jusqu'à maintenant ?

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On se souvient que le trou noir supermassiftrou noir supermassif au centre de la galaxie elliptiquegalaxie elliptique géante M87M87 a été le premier imagé et ce grâce aux membres de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT). Cette galaxie avait été découverte en 1781 par l'astronomeastronome français Charles MessierCharles Messier près de la limite nord de la constellation de la Viergeconstellation de la Vierge, non loin de la constellation de la Chevelure de Bérénice.

M87 n'est située qu'à 55 millions d'années-lumièreannées-lumière de la Voie lactéeVoie lactée, et elle est étudiée particulièrement parce qu'il s'agit de la plus grande galaxie elliptique la plus proche de la TerreTerre et l'une des plus brillantes radiosources du ciel. Dès 1918, l'astronome états-unien Heber Doust Curtis avait observé ce que l'on comprendra plus tard être un jet de matièrematière particulièrement fin et collimaté, qui s'étend sur au moins 5.000 années-lumière et qui est produit par le trou noir en rotation de 6,5 milliards de massesmasses solaires M87* à partir de son disque d'accrétiondisque d'accrétion (la matière ne sort pas du trou noir lui-même).

Ce jet de matière a été étudié dans le domaine des rayons Xrayons X grâce au célèbre satellite ChandraChandra de la NasaNasa. Des astrophysiciensastrophysiciens cherchaient, en particulier, à mieux déterminer les caractéristiques de deux concentrations de matière dans ce jet à partir d'observations inédites entre 2012 et 2017. Comme les chercheurs l'expliquent dans une publication sur arXiv, ils ont obtenu pour la première fois une estimation fiable des vitessesvitesses de ces deux concentrations. Elles semblent se mouvoir à des vitesses supraluminiques de 6,3 fois la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière pour le grumeau le plus proche de M87*, à une distance d'environ 900 années-lumière de son horizon des évènements, et une vitesse de 2,4 fois celle de la lumièrelumière pour le grumeau le plus éloigné, à savoir environ 2.500 années-lumière.


Une présentation des observations de Chandra pour le jet de M87*, le trou noir imagé en radioastronomie par les membres de l'EHT. 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 ». © Chandra X-ray Observatory

Au premier abord, ces caractéristiques sont stupéfiantes et la première réaction que l'on peut avoir en les apprenant est qu'un séismeséisme vient de frapper la physiquephysique théorique fondamentale car la théorie de la relativité d’Einstein, qu'elle soit restreinte ou générale, interdit à un objet ou à un signal physique de se déplacer plus vite que la lumière. La physique est-elle enfin au bord d'une révolution et est-il finalement possible de voyager entre les étoilesétoiles plus vite que la lumière ?

Des vitesses superluminiques... relativistes

La réponse est malheureusement non. Une analyse fine des mesures de Chandra montre tout de même que les particules qui composent les concentrations de matière étudiées se déplacent à 99 % de la vitesse de la lumière. C'est la première fois que l'on mesure une vitesse aussi élevée, via le domaine des rayons X, pour les particules d'un jet de trou noir.

En fait, nous sommes précisément devant un des exemples de mouvementsmouvements apparemment supraluminiques que l'on connaît depuis des décennies grâce aux observations faites en radioastronomie concernant de lointains noyaux actifs de galaxiesnoyaux actifs de galaxies, en particulier des quasars, qui émettent eux aussi des jets de matière initiés par des trous noirs supermassifs.

Il s'agit en réalité d'une sorte d'illusion d'optique particulièrement spectaculaire lorsque l'on a des corps qui se déplacent presque à la vitesse de la lumière et qui semble montrer deux parties d'un jet de matière s'éloigner l'une de l'autre plus vite que la lumière sur la voûte céleste. Mais il n'en est rien, la théorie d'EinsteinEinstein n'est pas violée.

L'astrophysicien britannique Martin Rees lors d'une conférence en 2005 en Italie. En 1966, il avait été un des premiers à prédire et expliquer les mouvements supraluminiques apparents que l'on allait observer à partir des années 1970, grâce aux grands réseaux de radiotélescopes faisant de la synthèse d'ouverture par interférométrie. © CC by-sa 2.0, Wikipédia
L'astrophysicien britannique Martin Rees lors d'une conférence en 2005 en Italie. En 1966, il avait été un des premiers à prédire et expliquer les mouvements supraluminiques apparents que l'on allait observer à partir des années 1970, grâce aux grands réseaux de radiotélescopes faisant de la synthèse d'ouverture par interférométrie. © CC by-sa 2.0, Wikipédia

En fait, M87* est bien connu depuis longtemps comme un représentant typique de cet effet de vitesse supraluminique apparente avec son jet de matière, quand on l'observait non seulement dans le visible et le domaine radioradio mais aussi dans l'ultravioletultraviolet. Il se trouve cependant que les vitesses exactes des particules éjectées n'avaient encore pas été mesurées de façon solidesolide et en particulier dans le domaine des rayons X. Les vitesses obtenues à toutes ces longueurs d'ondelongueurs d'onde sont de plus concordantes. Pour les curieux qui n'ont pas peur de se frotter aux calculs expliquant ce fascinant phénomène, il est possible de consulter ce site qui parle aussi de l'histoire des sources apparemment supraluminiques en radioastronomie. On peut consulter les explications plus simples (et sans utiliser la théorie de la relativité) de Marie-Christine Artru, Gabrielle Bonnet et Mathilde Glenat, de l'École Normale Supérieure de Lyon, sur le site suivant.

Cette illusion d'optique se produit lorsqu'un jet de trou noir est dirigé presque dans notre direction et que les noyaux de matière qu'il contient semblent avoir des vitesses transverses qui sont supérieures à la vitesse de la lumière alors que les vitesses réelles en sont seulement proches. Ces structures sont probablement produites par des instabilités ou des irrégularités dans le processus d'accrétion alimenté par de la matière tombant en direction du trou noir M87* (par exemple sous forme d'étoiles ou de nuagesnuages de gazgaz) et dans les processus qui conduisent une partie de cette matière à être éjectée loin du trou noir à grande vitesse, sans avoir pénétré son horizon des évènements.

Sur ces images en fausses couleurs prises dans le domaine des rayons X avec Chandra on voit bien en cinq ans l'évolution des noyaux de matière présent dans le jet de M87*. © Nasa, CXC, SAO, B.Snios et al 
Sur ces images en fausses couleurs prises dans le domaine des rayons X avec Chandra on voit bien en cinq ans l'évolution des noyaux de matière présent dans le jet de M87*. © Nasa, CXC, SAO, B.Snios et al