Pour la première fois, l’écho de la lumière réfléchie à l’arrière d’un trou noir a été observée

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| ESO

Selon la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, l’environnement gravitationnel et magnétique des trous noirs est si extrême que la lumière devrait être courbée et réfléchie vers l’observateur à partir de l’arrière du trou noir. Et pour la première fois, une équipe d’astrophysiciens a pu détecter cette lumière réfléchie sous forme d’échos de rayons X dans l’environnement d’un trou noir supermassif situé à 800 millions d’années-lumière de la Terre, dans une galaxie baptisée I Zwicky 1 (I Zw 1).

Une telle observation conforte donc de nouveau la théorie d’Einstein et précise la dynamique des trous noirs. « Aucune lumière qui pénètre dans ce trou noir n’en sort, nous ne devrions donc pas pouvoir voir quoi que ce soit derrière le trou noir. La raison pour laquelle nous pouvons voir les échos des rayons X est que ce trou noir déforme l’espace, courbe la lumière et tord les champs magnétiques autour de lui », explique l’astrophysicien Dan Wilkins de l’Université de Stanford.

Il y a plusieurs composants dans l’espace entourant immédiatement un trou noir. Il y a l’horizon des événements ; le point à partir duquel la vitesse de libération devient supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Un trou noir actif comme I Zw 1* possède également un disque d’accrétion. C’est un énorme disque aplati de poussière et de gaz tourbillonnant autour du trou noir.

L’activité magnétique chaotique de la couronne

Ce disque devient incroyablement chaud en raison des influences de la friction et du champ magnétique — si chaud que les atomes sont dépouillés de leurs électrons, formant un plasma magnétisé. Juste à l’extérieur de l’horizon des événements d’un trou noir actif, à l’intérieur du bord intérieur du disque d’accrétion, se trouve la couronne. Il s’agit d’une région d’électrons extrêmement chauds que l’on pense être alimentés par le champ magnétique du trou noir.

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Le champ magnétique est tellement tordu qu’il se déconnecte et se reconnecte — un processus qui, sur le Soleil, déclenche de puissantes éruptions. Dans un trou noir, la couronne agit comme un synchrotron pour accélérer les électrons à des énergies si élevées qu’ils brillent dans les longueurs d’onde des rayons X. « Ce champ magnétique qui se déconnecte et se reconnecte aux abords du trou noir chauffe tout ce qui l’entoure et produit ces électrons de haute énergie qui génèrent ensuite les rayons X », indique Wilkins.

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Schéma expliquant la manière dont sont produits les échos de rayons X à l’arrière du trou noir. © ESA

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Certains des photons de rayons X irradient le disque d’accrétion et sont réabsorbés, via des processus tels que l’absorption photoélectrique et la fluorescence, puis réémis — dans ce qu’on appelle un écho de réverbération, appelé « réflexion » dans le spectre des rayons X. Cette émission de réflexion peut être utilisée pour cartographier la région la plus proche de l’horizon des événements d’un trou noir.

Des flashs de rayons X pour conforter la relativité générale

C’est la mystérieuse couronne que Wilkins et son équipe cherchaient à étudier lorsqu’ils ont commencé leurs observations de I Zw 1 *. Ils ont observé la galaxie en janvier 2020 à l’aide de deux observatoires à rayons X, NUStar et XMM-Newton. Ils ont détecté les éruptions de rayons X attendues dans les données, mais ils ont ensuite trouvé quelque chose auquel ils ne s’attendaient pas — des flashs de rayons X plus petits et plus tardifs dans une partie différente du spectre.

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Vue d’artiste montrant les échos de rayons X. © Dan Wilkins

Ceux-ci étaient cohérents avec les réflexions venant de derrière le trou noir, avec leurs chemins courbés autour de l’objet massif par son champ gravitationnel incroyablement fort, et leur luminosité amplifiée. « J’ai développé des prédictions théoriques sur la façon dont ces échos nous apparaissent depuis quelques années. Je les avais déjà identifiés dans la théorie que j’avais développée, donc une fois que je les ai aperçus dans les observations au télescope, j’ai pu comprendre le lien », conclut Wilkins.

Sources : Nature

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