Mesurer la porte de sortie de l’univers – MIT

Mesurer la porte de sortie de l’univers – MIT

Mesurer la porte de sortie de l’univers – MIT 999 999 Sébastien BAGES

Pour la première fois, une équipe internationale a mesuré le rayon d’un trou noir.


Le point de non-retour : en astronomie, il est connu sous le nom de trou noir – une région de l’espace où l’attraction de la gravité est si forte que rien, pas même la lumière, ne peut en réchapper. Les trous noirs qui peuvent être des milliards de fois plus massifs que notre soleil résident au cœur de la plupart des galaxies. Ces trous noirs supermassifs sont si puissants que l’activité à leurs frontières à la possibilité de se répercuter sur toute leur galaxie hôte.

Pour la première fois, une équipe internationale, dirigée par des chercheurs de l’Observatoire Haystack du MIT, a réussi à mesurer le rayon d’un trou noir du centre d’une galaxie lointaine – la distance minimale à laquelle la matière peut s’approcher avant d’être irrémédiablement attirée dans le trou noir.

Les scientifiques ont relié entre eux des antennes radio à Hawaï, en Arizona et en Californie, dans l’objectif de créer un réseau de télescopes appelé le “Event Horizon Telescope” (EHT), qui permet de voir des détails 2000 fois plus fins que ce qui est visible par le télescope spatial Hubble. Ces antennes radio ont été dirigés sur M87, une galaxie à une distance de près de 50 millions d’années-lumière de la Voie Lactée. M87 abrite un trou noir qui est six milliards de fois plus massifs que notre soleil. En utilisant le réseau, l’équipe a observé la lueur de la matière en bordure de ce trou noir – une région connue sous le nom : horizon des événements.

« Une fois que les objets dépassent l’horizon des événements, ils sont perdus pour toujours », a décrit Shep Doeleman, directeur adjoint de l’Observatoire Haystack du MIT, et chercheur associé à l’Observatoire d’Astrophysique Smithsonian. « C’est une porte de sortie de notre univers. Vous dépassez cette porte, vous ne reviendrez pas en arrière ».

Doeleman et ses collègues ont publié les résultats de leur étude la semaine dernière dans la revue Science.

 

Jets du trou noir

Les trous noirs supermassifs sont les objets les plus extrêmes prédits par la théorie de la gravité d’Albert Einstein – où, selon Doeleman, « la gravité est complètement détraquée et écrase une énorme masse dans un espace incroyablement restreint ». Au bord d’un trou noir, la force gravitationnelle est si forte qu’elle attire tout dans les environs. Cependant, tout ne peut pas traverser l’horizon des événements et se faufiler dans un trou noir. Il en résulte un ’embouteillage cosmique’ dans lequel le gaz et la poussière s’accumulent, créant une crêpe plate de la matière connue sous le nom de disque d’accrétion. Ce disque de matière en orbite autour du trou noir à une vitesse proche de la lumière, nourrit le trou noir avec un régime régulier de matière surchauffée. Au fil du temps, ce disque peut provoquer une rotation du trou noir dans la même direction que les matériaux en orbite.

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Un disque d’accrétion (orange) de gaz et de poussière entoure les trous noirs super-massifs au centre de la plupart des galaxies. Ces disques de matières galactiques émettent des faisceaux magnétiques (lignes roses) qui sont éjectés à partir du centre du trou noir, dessinant les deux extrémités de jets à haute puissance. – © NASA and Ann Field (Space Telescope Science Institute)

Pris dans ce flux en spiral sont présents des champs magnétiques, qui accélèrent la matière chaude le long de puissants faisceaux au-dessus du disque d’accrétion. La résultante du biréacteur à grande vitesse, lancé par le trou noir et le disque, jaillit à travers la galaxie, s’étendant sur des centaines de milliers d’années-lumière. Ces jets peuvent influencer de nombreux processus galactiques, y compris la vitesse à laquelle se forment les étoiles.


 

Est-ce qu’Einstein avait raison ?

La trajectoire du jet peut aider les scientifiques à comprendre la dynamique des trous noirs dans la région où leur gravité est la force dominante. Doeleman a expliqué qu’avec un tel environnement extrême, cela est parfait pour confirmer la théorie de la relativité générale d’Einstein – qui est la description actuelle définitive de la gravitation.

« Les théories d’Einstein ont été vérifiées sur le terrain dans des conditions de faible gravité, comme sur la Terre ou dans le système solaire », a dit Doeleman. « Mais elles n’ont précisément pas été vérifiées dans le seul endroit dans l’univers où les théories d’Einstein pourraient être brisées : sur les abords d’un trou noir ».

Selon la théorie d’Einstein, la masse d’un trou noir et son spin déterminent dans quelle mesure les matériaux peuvent tourner autour avant de devenir instable et tomber vers l’horizon des événements. Parce que le jet de M87 est magnétiquement éjecté de cette petite orbite, les astronomes peuvent estimer la rotation du trou noir par le biais de mesures précises [via la taille du jet à la sortie du trou noir]. Jusqu’à présent, aucun télescope n’avait jamais offert assez de puissance de grossissement pour ce genre d’observations.

« Nous sommes maintenant en mesure de poser la question suivante : est-ce qu’Einstein avait raison ? », a déclaré Doeleman. « Nous pouvons identifier les caractéristiques et les signatures prédites par ses théories, dans ce domaine à très forte gravité ».

L’équipe a utilisé une technique appelée interférométrie à très longue base ou VLBI, qui lie des données radio situées à des milliers de kilomètres de distance. Les signaux provenant des différentes antennes sont ensuite combinés. Cela permet de créer un ‘télescope virtuel’ avec le pouvoir de résolution d’un télescope unique proportionnel à l’espace entre les différents récepteurs. La technique permet aux scientifiques de visualiser des détails extrêmement précis dans des galaxies lointaines.

Par le biais de cette technique, Doeleman et son équipe ont mesuré l’orbite la plus interne du disque d’accrétion, faisant seulement 5,5 fois la taille de l’horizon des événements du trou noir. Selon les lois de la physique, cette taille donne à penser que le disque d’accrétion tourne dans le même sens que le trou noir – la première observation directe qui tend à confirmer les théories de comment les jets des trous noirs alimentent les centres des galaxies.

L’équipe prévoit d’étendre son réseau de télescopes, en ajoutant des antennes radio du Chili, de l’Europe, du Mexique, du Groenland et de l’Antarctique, afin d’obtenir des images encore plus détaillées des trous noirs dans l’avenir.

Christopher Reynolds, professeur d’astronomie à l’Université du Maryland, a déclaré que les résultats du groupe fournissent les premières données d’observation qui aideront les scientifiques à comprendre comment les jets d’un trou noir se comportent.

« La nature fondamentale des jets est encore mystérieuse », a expliqué Reynolds. « De nombreux astrophysiciens soupçonnent que les jets sont alimentés par la rotation du trou noir … mais pour le moment, ces idées sont encore entièrement dans le domaine de la théorie. Cette mesure est la première étape pour les mettre sur de solides bases d’observations ».

Cette recherche a été soutenue par la Fondation Nationale pour la Science (National Science Foundation).


Citations du M.I.T.
Crédit image À-la-Une : Cette image, créée à l’aide de modèles informatiques, montre comment l’extrême gravité du trou noir de M87 déforme l’apparence du jet près de l’horizon des événements. Une partie du rayonnement du jet est cintrée par la gravité dans un anneau qui est connu comme le ‘fantôme’ du trou noir. – © Avery E. Broderick (Perimeter Institute & University of Waterloo)

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Sébastien BAGES
About the author

Sébastien BAGES

Plus de trois années de travail passionné sur Civilisation 2.0 Actus, et fondateur de l'association Civilisation 2.0, je mets à contribution mon expertise de veille technique et scientifique, mon analyse de chef de projet, mon engouement pour la science et ses outils, et mon expérience dans le développement stratégique afin d'offrir à tous ce qui en résulte.

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