Il existe enfin une description mathématique de la manière dont les trous noirs réfléchissent l’Univers

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| NASA/JPL/Stanford University

Si les trous noirs sont insondables, un certain nombre de phénomènes physiques se produisant autour de leur horizon des événements le sont. C’est notamment le cas de la sphère de photons : un anneau de photons orbitant autour des trous noirs, amenés soit à s’échapper soit à être absorbés. L’ensemble de ces photos agit comme une lentille gravitationnelle, amplifiant et déformant la lumière (et donc l’image) des objets cosmiques lointains. Et pour la première fois, un chercheur a développé des équations mathématiques permettant de décrire la dynamique de ce phénomène optique. 

Un nouvel ensemble d’équations peut décrire avec précision la réflexion optique de l’Univers apparaissant dans la lumière déformée autour d’un trou noir. La proximité de chaque réflexion dépend de l’angle d’observation par rapport au trou noir et de la vitesse de rotation de ce dernier, selon une solution mathématique élaborée par le physicien Albert Sneppen de l’Institut Niels Bohr au Danemark. Les détails ont été publiés dans la revue Scientific Reports.

Cela donne potentiellement aux physiciens un nouvel outil pour sonder l’environnement gravitationnel autour de ces objets extrêmes. S’il y a une chose pour laquelle les trous noirs sont connus, c’est leur extrême gravité. Plus précisément, au-delà d’un certain rayon, la vitesse de la lumière dans le vide devient inférieure à la vitesse de libération. Ce point de non-retour est l’horizon des événements, défini par ce qu’on appelle le rayon de Schwarszchild.

La réflexion des objets distants par la sphère de photons

Juste à l’extérieur de l’horizon des événements du trou noir, cependant, l’environnement est également chaotique. Le champ gravitationnel est si puissant que la courbure de l’espace-temps est presque circulaire. Tout photon entrant dans cet espace devra naturellement suivre cette courbure. Cela signifie que, de notre point de vue, le chemin de la lumière semble déformé et distordu.

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sphere photons
Autour de l’horizon des événements d’un trou noir, la vitesse de satellisation atteint la vitesse de la lumière dans le vide. Seuls des photons peuvent alors orbiter le trou noir, créant une sphère de photons déformant optiquement l’univers alentour. © Sarah Silva & al

Au bord intérieur de cet espace, juste à l’extérieur de l’horizon des événements, il est possible d’observer un anneau de photons, où les photons voyagent en orbite autour du trou noir plusieurs fois avant de tomber vers ce dernier ou de s’échapper dans l’espace. Cela signifie que la lumière des objets éloignés derrière le trou noir peut être agrandie, déformée et « réfléchie » plusieurs fois. Cela constitue une lentille gravitationnelle ; l’effet peut également être vu dans d’autres contextes, et constitue un outil très utile pour étudier l’Univers.

L’effet est donc connu depuis un certain temps et les physiciens ont découvert que plus on observe de près le trou noir, plus on voit de réflexions d’objets distants. Pour passer d’une image à l’autre, il faut regarder environ 500 fois plus près du bord optique du trou noir (décrit par la fonction exponentielle de deux pi (e)), mais la description mathématique de ce phénomène était toujours à établir.

Une description mathématique de la dynamique optique des trous noirs

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L’approche de Sneppen consistait à reformuler la trajectoire de la lumière et à quantifier sa stabilité linéaire, en utilisant des équations différentielles du second ordre. Il a découvert que non seulement sa solution décrivait mathématiquement pourquoi les images se répétaient à des distances de e, ​​mais que cela pouvait s’appliquer à un trou noir en rotation — et que cette distance de répétition dépend du spin.

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« Il s’avère que lorsqu’il tourne très vite, vous n’avez plus besoin de vous rapprocher du trou noir d’un facteur 500, mais beaucoup moins. En fait, chaque image n’est maintenant que 50, ou cinq, voire deux fois plus proche du bord du trou noir », explique Sneppen. En pratique, cela va être difficile à observer, du moins dans un avenir proche — il suffit de regarder la quantité de travail intense qui a été consacrée à l’imagerie non résolue de l’anneau de lumière autour du trou noir supermassif Pōwehi (M87*).

Théoriquement, cependant, il devrait y avoir des anneaux de lumière infinis autour d’un trou noir. Étant donné que nous avons déjà imagé l’ombre d’un trou noir supermassif, ce n’est, espérons-le, qu’une question de temps avant que nous puissions obtenir de meilleures images, et il est déjà prévu d’imager un anneau de photons. Un jour, les images infinies proches d’un trou noir pourraient être un outil pour étudier non seulement la physique de l’espace-temps du trou noir, mais aussi les objets derrière eux.

Sources : Scientific Reports

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