Dans une paire de trous noirs supermassifs fusionnés, une nouvelle méthode pour mesurer le vide


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  • Il y a trois ans, la toute première image d’un trou noir a stupéfié le monde. Une fosse noire de néant entourée d’un anneau de lumière ardent. Cette image emblématique du trou noir au centre de la galaxie Messier 87 a été mise au point grâce au télescope Event Horizon, un réseau mondial d’antennes radio synchronisées agissant comme un télescope géant.

    Maintenant, deux chercheurs de Columbia ont mis au point un moyen potentiellement plus simple de regarder dans l’abîme. Décrites dans des études complémentaires en Lettres d’examen physique et Examen physique D, leur technique d’imagerie pourrait permettre aux astronomes d’étudier des trous noirs plus petits que celui de M87, un monstre d’une masse de 6,5 milliards de soleils, hébergé dans des galaxies plus éloignées que M87, qui à 55 millions d’années-lumière, est encore relativement proche de notre propre Voie lactée .

    La technique n’a que deux exigences. Tout d’abord, vous avez besoin d’une paire de trous noirs supermassifs en voie de fusion. Deuxièmement, vous devez regarder la paire sous un angle presque latéral. De ce point de vue latéral, lorsqu’un trou noir passe devant l’autre, vous devriez être en mesure de voir un éclair lumineux alors que l’anneau lumineux du trou noir le plus éloigné est amplifié par le trou noir le plus proche de vous, un phénomène connue sous le nom de lentille gravitationnelle.

    L’effet de lentille est bien connu, mais ce que les chercheurs ont découvert ici était un signal caché : une baisse distinctive de la luminosité correspondant à « l’ombre » du trou noir à l’arrière. Cette gradation subtile peut durer de quelques heures à quelques jours, selon la masse des trous noirs et la proximité de leurs orbites. Si vous mesurez la durée du creux, disent les chercheurs, vous pouvez estimer la taille et la forme de l’ombre projetée par l’horizon des événements du trou noir, le point de non-sortie, où rien ne s’échappe, pas même la lumière.

    « Il a fallu des années et des efforts considérables de la part de dizaines de scientifiques pour créer cette image haute résolution des trous noirs de M87 », a déclaré le premier auteur de l’étude, Jordy Davelaar, postdoctorant à Columbia et au Centre d’astrophysique computationnelle du Flatiron Institute. « Cette approche ne fonctionne que pour les trous noirs les plus grands et les plus proches – la paire au cœur de M87 et potentiellement notre propre Voie lactée. »

    Il a ajouté : « Avec notre technique, vous mesurez la luminosité des trous noirs au fil du temps, vous n’avez pas besoin de résoudre chaque objet dans l’espace. Il devrait être possible de trouver ce signal dans de nombreuses galaxies. »

    L’ombre d’un trou noir est à la fois sa caractéristique la plus mystérieuse et la plus informative. « Cette tache sombre nous renseigne sur la taille du trou noir, la forme de l’espace-temps qui l’entoure et comment la matière tombe dans le trou noir près de son horizon », a déclaré le co-auteur Zoltan Haiman, professeur de physique à Columbia.

    Les ombres des trous noirs pourraient également détenir le secret de la véritable nature de la gravité, l’une des forces fondamentales de notre univers. La théorie de la gravité d’Einstein, connue sous le nom de relativité générale, prédit la taille des trous noirs. Les physiciens les ont donc recherchés pour tester des théories alternatives de la gravité dans le but de concilier deux idées concurrentes sur le fonctionnement de la nature : la relativité générale d’Einstein, qui explique des phénomènes à grande échelle comme les planètes en orbite et l’univers en expansion, et la physique quantique, qui explique comment de minuscules particules comme les électrons et les photons peuvent occuper plusieurs états à la fois.

    Les chercheurs se sont intéressés à l’évasement des trous noirs supermassifs après avoir repéré une paire présumée de trous noirs supermassifs au centre d’une galaxie lointaine dans l’univers primitif. Le télescope spatial Kepler, chasseur de planètes, de la NASA balayait les minuscules baisses de luminosité correspondant à une planète passant devant son étoile hôte. Au lieu de cela, Kepler a fini par détecter les éruptions de ce que Haiman et ses collègues prétendent être une paire de trous noirs fusionnés.

    Ils ont nommé la galaxie lointaine « Spikey » pour les pics de luminosité déclenchés par ses trous noirs présumés se grossissant mutuellement à chaque rotation complète via l’effet de lentille. Pour en savoir plus sur l’éruption, Haiman a construit un modèle avec son postdoc, Davelaar.

    Ils ont cependant été confus lorsque leur paire de trous noirs simulés a produit une baisse de luminosité inattendue, mais périodique, chaque fois que l’un tournait devant l’autre. Au début, ils pensaient que c’était une erreur de codage. Mais une vérification plus poussée les a amenés à faire confiance au signal.

    Alors qu’ils cherchaient un mécanisme physique pour l’expliquer, ils se sont rendu compte que chaque baisse de luminosité correspondait étroitement au temps qu’il fallait au trou noir le plus proche du spectateur pour passer devant l’ombre du trou noir à l’arrière.

    Les chercheurs recherchent actuellement d’autres données de télescope pour essayer de confirmer le creux qu’ils ont vu dans les données de Kepler afin de vérifier que Spikey abrite en fait une paire de trous noirs fusionnés. Si tout se vérifie, la technique pourrait être appliquée à une poignée d’autres paires suspectes de trous noirs supermassifs fusionnants parmi les quelque 150 qui ont été repérés jusqu’à présent et attendent une confirmation.

    Au fur et à mesure que des télescopes plus puissants seront mis en ligne dans les années à venir, d’autres opportunités pourraient se présenter. L’observatoire Vera Rubin, qui doit ouvrir ses portes cette année, vise plus de 100 millions de trous noirs supermassifs. D’autres reconnaissances de trous noirs seront possibles lorsque le détecteur d’ondes gravitationnelles de la NASA, LISA, sera lancé dans l’espace en 2030.

    « Même si seule une infime fraction de ces binaires de trous noirs a les bonnes conditions pour mesurer notre effet proposé, nous pourrions trouver bon nombre de ces creux de trous noirs », a déclaré Davelaar.

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