Autour de l’horizon des événements du trou noir M87*, la luminosité vacille de manière chaotique

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| EHT/HOTAKA SHIOKAWA

Il y maintenant deux ans, l’Event Horizon Telescope (EHT) révélait la toute première image de l’aspect structurel d’un trou noir supermassif. En attendant de nouvelles observations plus précises, les chercheurs continuent d’analyser en détail les données acquises par l’EHT concernant le trou noir M87*. Et récemment, les astrophysiciens ont tiré deux résultats importants de cette analyse : l’un qui conforte de nouveau la théorie de la relativité générale, et un autre montrant que la zone de lumière entourant l’ombre de l’horizon des événements vacille de manière chaotique. 

En combinant les données radio de plusieurs radiotélescopes répartis à travers le monde, la collaboration de l’Event Horizon Telescope a réussi à observer un trou noir supermassif situé à 53 millions d’années-lumière, possédant 6.5 millions de fois la masse du Soleil et se trouvant au centre de la galaxie Messier 87 (M87). L‘image historique montrait un croissant brillant de gaz ultra-chauds et de débris en orbite autour de l’horizon des événements du trou noir.

L’équipe de l’EHT venait de réaliser l’une des observations les plus impressionnantes de l’histoire de l’astronomie, mais ce n’était que le début. Mercredi, les membres de la collaboration EHT ont publié de nouvelles découvertes dans la revue The Astrophysical Journal sur le trou noir supermassif (connu sous le nom de M87*), révélant deux nouvelles informations majeures.

Des résultats en accord avec la relativité générale et les simulations

Premièrement, le diamètre de l’ombre de l’horizon des événements ne change pas avec le temps, ce qui est exactement ce que la théorie de la relativité générale d’Einstein prédit pour un trou noir supermassif de la taille de M87*. Cependant, le croissant lumineux qui orne cette ombre est loin d’être stable : il vacille. Il y a tellement de matière turbulente autour de M87* que cette agitation est logique et en accord avec les simulations. Mais le fait que nous puissions l’observer au fil du temps signifie que nous avons maintenant une méthode établie pour étudier la physique de l’un des types d’environnements les plus extrêmes de l’Univers.

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Images de la structure du trou noir supermassif M87* provenant des observations de l’EHT menées entre 2009 et 2017. Les colonnes correspondent aux rendus de différents modèles. Les images montrent une variation lumineuse autour de l’horizon des événements au fil du temps. Crédits : Maciek Wielgus et al. 2020

« Nous voulons comprendre la physique dans les conditions extrêmes à proximité d’un trou noir et apprendre comment le trou noir interagit avec la matière dans son environnement immédiat. L’étude de la dynamique de l’apparence en forme de croissant d’un trou noir est un moyen de sonder cet environnement fascinant », explique Maciek Wielgus, astronome au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Avant l’EHT, les astrophysiciens ne disposaient pas des outils sensibles nécessaires pour étudier les changements structurels que subit un trou noir. « C’était comme regarder un film avec une résolution de 1 pixel. Nous voyons que la luminosité change avec le temps — il se passe clairement quelque chose là-bas —, mais bonne chance pour comprendre de quoi parle le film ».

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Vers de nouvelles observations de M87*

Les nouveaux résultats ne sont pas de nouvelles observations de M87*, mais caractérisent plutôt l’ombre de l’horizon grâce à une nouvelle analyse des données collectées de 2009 à 2013 au début de l’EHT, combinées à l’ensemble de données de 2017 qui a conduit à l’image du trou noir en premier lieu. Les données plus anciennes étaient moins détaillées en raison des contraintes logicielles et du matériel plus limité, mais elles s’étalaient sur une période plus longue.

Le nouvel ensemble de données ne comprenait que quatre observations de M87* sur une semaine, mais il était beaucoup plus riche et nuancé. Wielgus et son équipe ont pu utiliser les détails des nouvelles données pour combler les lacunes de l’ancienne. L’EHT traite toujours les observations de 2018 et prévoit d’effectuer de nouvelles observations de M87* l’année prochaine, en utilisant 10 télescopes au total.

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Ces observations, qui impliqueront une étude plus approfondie du croissant, pourraient révéler de nouvelles connaissances sur le spin d’un trou noir, la force de son champ magnétique et la microphysique plasmatique de la matière environnante. À leur tour, les chercheurs espèrent que ces informations pourront faire partie d’un plus grand corpus de travail qui résout le mystère derrière certains des phénomènes les plus étranges impliqués dans les trous noirs supermassifs, comme ce qui entraîne l’éjection de matière hautement ionisée de leur disque.

Cette vidéo montre l’évolution de la luminosité autour de l’horizon des événements de M87* :

Sources : The Astrophysical Journal

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