C'est l'astrophysicien et cosmologiste français Jean-Pierre Luminet qui a été le premier à calculer de façon réaliste l'aspect d'un trou noir entouré d'un disque d'accrétion à l'aide d'un ordinateur à la fin des années 1970. Une version plus précise sera obtenue une dizaine d'années plus tard par son collègue astrophysicien Jean-Alain Marck, hélas décédé trop tôt. On voit un extrait de la simulation réalisée dans cette image. © Jean-Alain Marck
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Trou noir : des nouvelles de M87* avec l'EHT confirment la théorie d'Einstein

ActualitéClassé sous :trou noir , Event Horizon Telescope , test relativité générale

En analysant plus en profondeur les images du trou noir supermassif M87*, les membres de l'Event Horizon Telescope ont posé de nouvelles contraintes sur des alternatives possibles à la théorie de la relativité générale d'Einstein. Elle en sort de nouveau renforcée ainsi que la théorie classique des trous noirs.

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[EN VIDÉO] Première image d’un trou noir supermassif : zoom sur l'environnement de M87*  Cette animation d’artiste représente un plongeon en direction d’un trou noir supermassif caché dans une bulle de gaz chaud. Il est entouré d’un disque d’accrétion où la matière est tellement chauffée qu’elle devient un plasma très lumineux à l’origine de jets de matière en relation avec la rotation d’un trou noir de Kerr. En l’occurrence ici il s’agit de M87*, le trou noir supermassif qui a livré la première image d’un tel objet en avril 2019 grâce aux membres de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT). 

Les années 1960 n'ont pas seulement été marquées par un renouveau des études théoriques en relativité générale sous l'impulsion de la découverte des quasars et du rayonnement fossile. On assiste aussi à ce moment-là au développement de travaux pour tester la théorie d'Einstein et même la réfuter au profit d'autres théories de la gravitation qui, tout en conservant son espace-temps courbe, introduisent de nouvelles équations de champs et ajoutent même d'autres champs qu'un tenseur métrique, en particulier un ou des champs scalaires.

Les tests les plus faciles à faire concernaient les mouvements des planètes, des rayons lumineux et des ondes électromagnétiques dans le Système solaire. Mais l'astronomie des ondes gravitationnelles était déjà en grand développement bien que la course à leur détection ne reposait pas encore, au début des années 1970, sur la conception d'un interféromètre utilisant des faisceaux lasers comme ce fut finalement le cas avec les détecteurs Ligo et Virgo. On peut se faire une bonne idée de l'ambiance de l'époque, c'est-à-dire en gros entre 1960 et 1975, en consultant le fameux MTW écrit par John Wheeler, Charles Misner et le futur prix Nobel de physique Kip Thorne.

Aujourd'hui, les voies les plus prometteuses pour découvrir une nouvelle physique et aller au-delà de la théorie de la relativité générale -- peut-être même vers une théorie quantique de la gravitation -- sont sans doute celles de l'étude des ondes gravitationnelles produites par les collisions de trous noirs et l'étude des images que commencent à fournir les membres de la collaboration Event Horizon Telescope. Ils viennent de publier à ce sujet un nouvel article dans la célèbre revue Physical Review Letters.

Une présentation des travaux de la collaboration EHT lorsqu'elle a révélé la première image de M87* en 2019. 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

Un trou noir observé avec un radiotélescope virtuel de la taille de la Terre

Rappelons que les premières et, pour le moment, uniques images de l'ombre de l'horizon des événements d'un trou noir ont été obtenues par ces astronomes avec le trou noir supermassif au centre de la galaxie elliptique géante M87. Cette galaxie avait été découverte en 1781 par l'astronome français Charles Messier près de la limite nord de la constellation de la Vierge, non loin de la constellation de la Chevelure de Bérénice.

M87 n'est située qu'à 55 millions d'années-lumière de la Voie lactée, et elle est étudiée particulièrement parce qu'il s'agit de la plus grande galaxie elliptique la plus proche de la Terre et l'une des plus brillantes radio-sources du ciel. Derrière cette radio-source, on pensait que se cachait un trou noir de Kerr en rotation de 6,5 milliards de masses solaires, baptisé  M87*.

C'est le 10 avril 2019 qu'ont finalement été révélées les observations menées avec l'Event Horizon Telescope (EHT). À l'époque, elles provenaient d'un réseau international de huit radiotélescopes et observatoires parmi lesquels on trouve l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) au Chili, et le radiotélescope de Pico Veleta de l'Iram situé au sud de l'Espagne, dans la Sierra Nevada.

Répartis sur toute la Planète, ces radiotélescopes avaient été mis à contribution pour faire de l'interférométrie à très longue base (ou VLBI pour Very Long Baseline Interferometry), c'est-à-dire de la synthèse d'ouverture permettant de combiner des instruments physiquement de petite taille pour obtenir l'équivalent virtuel d'un instrument de très grande taille, en l'occurrence un radiotélescope de plusieurs milliers de kilomètres de diamètre comme il est expliqué dans la vidéo ci-dessus.

Des variantes de l'espace-temps des trous noirs de de la relativité générale conduisant à des tailles des ombres de l'horizon des événements et des anneaux de photons différentes. Sur la gauche, une prévision avec un champ de gravité plus faible proche de l'horizon des événements, la limite en dessous de laquelle on ne peut plus s'échapper ou envoyer un rayon de lumière vers l'extérieur. L'anneau prédit est clairement plus petit que celui observé. À droite, la situation contraire. La théorie d'Einstein passe bien le test au centre. © D. Psaltis, UArizona ; EHT Collaboration

Des alternatives à la théorie d'Einstein encore plus contraintes

Il se trouve que les théories métriques alternatives à la théorie de la relativité générale d'Einstein peuvent être souvent rassemblées dans un formalisme qui dépend de plusieurs paramètres. Les observations dans le Système solaire ont permis de poser des bornes sur ces paramètres au point d'exclure parfois certaines théories comme celle proposée initialement par le grand mathématicien et philosophe Alfred North Whitehead en 1922.

Des membres de la collaboration EHT font savoir aujourd'hui que les contraintes sur certains de ces paramètres ont été rendues 500 fois plus fortes environ en regardant précisément la taille de l'ombre des trous noirs ou alternatives aux trous noirs considérées dans les autres théories relativistes de la gravitation encore crédibles.

Sur le schéma ci-dessus, on a montré les cercles prédits par ses variantes, ils correspondent à l'anneau de lumière et à la limite des images du disque d'accrétion de M87*. Clairement, à nouveau et peut-être tristement, la générale est encore victorieuse.

Mais nous n'en sommes encore qu'au début de la saga des images de l'EHT. En effet, elles vont augmenter en qualité au cours des années, notamment parce que d'autres radiotélescopes vont entrer dans la danse. Ainsi, on aura les contributions du télescope du Groenland, du télescope de 12 mètres sur le pic Kitt près de Tucson et de l'observatoire du réseau millimétrique étendu du nord en France.

Participation de Taiwan au projet du télescope au Groenland qui permet d'observer les trous noirs supermassifs. © Rti Français

  • La théorie de la relativité générale fait des prédictions bien précises quant à l'effet du champ de gravitation d'un trou noir de Kerr sur la lumière et la matière d'un disque d'accrétion proche de son horizon des événements.
  • On peut montrer que des alternatives à la théorie de la relativité générale peuvent ainsi être contraintes en mesurant la taille et l'aspect de l'ombre d'un trou noir observée avec l'Event Horizon Telescope.
  • Les derniers tests qui ont été effectués de cette façon confirment à nouveau la théorie d'Einstein et celle des trous noirs qui en sortent renforcées.
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