Un réseau international de radiotélescopes a produit la toute première image en gros plan de l'ombre d'un trou noir, que les scientifiques ont révélée ce matin (10 avril). La collaboration, appelée Event Horizon Telescope, a confirmé des décennies de prédictions sur le comportement de la lumière autour de ces objets sombres et a ouvert la voie à une nouvelle ère d'astronomie des trous noirs.
"D'une échelle de zéro à incroyable, c'était incroyable", a déclaré Erin Bonning, astrophysicienne et chercheuse en trous noirs à l'Université Emory qui n'était pas impliquée dans l'effort d'imagerie.
"Cela dit, c'était ce à quoi je m'attendais", a-t-elle déclaré à Live Science.
L'annonce, taquinée pendant environ une semaine et demie à l'avance, a réussi à être à la fois incroyablement excitante et presque complètement dépourvue de détails surprenants ou de nouvelle physique. La physique n'est pas tombée en panne. Aucune caractéristique inattendue de trous noirs n'a été révélée. L'image elle-même correspondait presque parfaitement aux illustrations de trous noirs que nous avons l'habitude de voir dans la science et la culture pop. La grande différence est que c'est beaucoup plus flou.
Cependant, Bonning a déclaré que plusieurs questions importantes liées aux trous noirs n'étaient toujours pas résolues.
Comment les trous noirs produisent-ils leurs énormes jets de matière chaude et rapide?
Tous les trous noirs supermassifs ont la capacité de mâcher la matière voisine, d'absorber la majeure partie au-delà de leurs horizons d'événements et de cracher le reste dans l'espace à une vitesse proche de la lumière dans des tours flamboyantes que les astrophysiciens appellent des «jets relativistes».
Et le trou noir au centre de la Vierge A (également appelé Messier 87) est connu pour ses jets impressionnants, crachant de la matière et des radiations dans tout l'espace. Ses jets relativistes sont si énormes qu'ils peuvent complètement s'échapper de la galaxie environnante.
Et les physiciens connaissent les grandes lignes de la façon dont cela se produit: le matériau accélère à des vitesses extrêmes lorsqu'il tombe dans le puits de gravité du trou noir, puis une partie s'échappe tout en conservant cette inertie. Mais les scientifiques sont en désaccord sur les détails de la façon dont cela se produit. Cette image et les documents associés n'offrent pas encore de détails.
Selon Bonning, il s'agira de relier les observations du télescope Event Horizons - qui couvrent une assez petite quantité d'espace - aux images beaucoup plus grandes de jets relativistes.
Bien que les physiciens n'aient pas encore de réponses, a-t-elle déclaré, il y a de fortes chances qu'ils viennent bientôt - en particulier lorsque la collaboration produira des images de sa deuxième cible: le trou noir supermassif Sagittaire A * au centre de notre propre galaxie, qui ne produit pas de jets comme celui de Virgo A. La comparaison des deux images, a-t-elle dit, pourrait offrir une certaine clarté.
Comment la relativité générale et la mécanique quantique s'assemblent-elles?
Chaque fois que les physiciens se réunissent pour parler d'une nouvelle découverte vraiment excitante, vous pouvez vous attendre à entendre quelqu'un suggérer que cela pourrait aider à expliquer la «gravité quantique».
En effet, la gravité quantique est la grande inconnue de la physique. Pendant environ un siècle, les physiciens ont travaillé en utilisant deux ensembles différents de règles: la relativité générale, qui couvre de très grandes choses comme la gravité, et la mécanique quantique, qui couvre de très petites choses. Le problème est que ces deux livres de règles se contredisent directement. La mécanique quantique ne peut pas expliquer la gravité, et la relativité ne peut pas expliquer le comportement quantique.
Un jour, les physiciens espèrent relier les deux dans une grande théorie unifiée, impliquant probablement une sorte de gravité quantique.
Et avant l'annonce d'aujourd'hui, il y avait des spéculations selon lesquelles cela pourrait inclure une percée sur le sujet. (Si les prédictions de la relativité générale n'avaient pas été confirmées dans l'image, cela aurait fait avancer la balle.) Lors d'une conférence de presse de la National Science Foundation, Avery Broderick, physicien à l'Université de Waterloo au Canada et collaborateur sur le projet, a suggéré que ce genre de réponses pourrait venir.
Mais Bonning était sceptique quant à cette affirmation. Cette image n'était pas du tout surprenante d'un point de vue de la relativité générale, donc elle n'offrait aucune nouvelle physique qui pourrait combler l'écart entre les deux champs, a déclaré Bonning.
Pourtant, ce n'est pas fou que les gens espèrent des réponses de ce type d'observation, dit-elle, parce que le bord de l'ombre d'un trou noir amène des forces relativistes dans de minuscules espaces de taille quantique.
"Nous nous attendrions à voir la gravité quantique très, très près de l'horizon des événements ou très, très tôt dans le premier univers", a-t-elle déclaré.
Mais à la résolution encore floue du télescope Event Horizons, a-t-elle déclaré, nous ne trouverons probablement pas ce genre d'effets, même avec les mises à niveau prévues.
Les théories de Stephen Hawking étaient-elles aussi correctes que celles d'Einstein?
La plus grande contribution du physicien Stephen Hawking en début de carrière à la physique était l'idée du «rayonnement Hawking» - que les trous noirs ne sont pas réellement noirs, mais émettent de petites quantités de rayonnement au fil du temps. Le résultat a été extrêmement important, car il a montré qu'une fois qu'un trou noir cesse de se développer, il commencera à rétrécir très lentement à cause de la perte d'énergie.
Mais le télescope Event Horizons n'a pas confirmé ou nié cette théorie, a déclaré Bonning, non pas que quiconque s'y attendait.
Les trous noirs géants comme celui de la Vierge A, a-t-elle dit, n'émettent que des quantités minimales de rayonnement Hawking par rapport à leur taille globale. Alors que nos instruments les plus avancés peuvent désormais détecter les lumières vives de leurs horizons d'événements, il y a peu de chances qu'ils découvrent la lueur ultra-faible d'une surface de trou noir supermassif.
Ces résultats, a-t-elle dit, proviendront probablement des plus petits trous noirs - des objets théoriques de courte durée de vie si petits que vous pourriez enfermer tout leur horizon d'événements dans votre main. Avec la possibilité d'observations de près et de beaucoup plus de rayonnements disponibles par rapport à leur taille globale, les humains pourraient éventuellement comprendre comment en produire ou en trouver un et détecter son rayonnement.
Alors qu'avons-nous réellement appris de cette image?
Tout d'abord, les physiciens ont appris qu'Einstein avait raison, encore une fois. Le bord de l'ombre, pour autant que le télescope Event Horizons puisse voir, est un cercle parfait, tout comme les physiciens du 20e siècle travaillant avec les équations d'Einstein de la relativité générale l'ont prédit.
"Je ne pense pas que quiconque devrait être surpris quand encore un autre test de relativité générale passe", a déclaré Bonning. "S'ils étaient montés sur scène et avaient dit que la relativité générale s'était rompue, je serais tombé de ma chaise."
Le résultat avec des implications pratiques plus immédiates, a-t-elle dit, est que l'image a permis aux scientifiques de mesurer avec précision la masse de ce trou noir supermassif, qui se trouve à 55 millions d'années-lumière au cœur de la galaxie Vierge A. Il est 6,5 milliards de fois plus massif que notre soleil.
C'est un gros problème, a déclaré Bonning, car cela pourrait changer la façon dont les physiciens pèsent les trous noirs supermassifs au cœur d'autres galaxies plus éloignées ou plus petites.
À l'heure actuelle, les physiciens ont une mesure assez précise de la masse du trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée, a déclaré Bonning, car ils peuvent observer comment sa gravité déplace les étoiles individuelles dans son voisinage.
Mais dans d'autres galaxies, nos télescopes ne peuvent pas voir les mouvements des étoiles individuelles, a-t-elle déclaré. Les physiciens sont donc coincés avec des mesures plus grossières: comment la masse du trou noir influence la lumière provenant de différentes couches d'étoiles dans la galaxie, ou comment sa masse influence la lumière provenant de différentes couches de gaz flottant librement dans la galaxie.
Mais ces calculs sont imparfaits, a-t-elle dit.
"Vous devez modéliser un système très complexe", a-t-elle déclaré.
Et les deux méthodes finissent par produire des résultats quelque peu différents dans chaque observation des physiciens des galaxies. Mais au moins pour le trou noir dans la Vierge A, nous savons maintenant qu'une méthode est correcte.
"Notre détermination de 6,5 milliards de masses solaires finit par atterrir juste au-dessus de la détermination de la masse la plus lourde", a déclaré Sera Markoff, astrophysicien de l'Université d'Amsterdam et collaborateur du projet lors de la conférence de presse.
Cela ne signifie pas que les physiciens passeront simplement à cette approche pour mesurer les masses des trous noirs, a déclaré Bonning. Mais il offre un point de données important pour affiner les calculs futurs.
