C’est le portrait le plus intime à ce jour d’un trou noir

La collaboration Event Horizon Telescope, une équipe internationale de radio-astronomes qui regarde dans la gorge d’un trou noir géant depuis des années, a publié ce qu’elle a appelé le portrait le plus intime à ce jour des forces qui donnent naissance aux quasars, les fontaines lumineuses de énergie qui peut atteindre à travers l’espace interstellaire et intergalactique et perturber la croissance de galaxies éloignées.

Le trou noir monstrueux est 6,5 milliards de fois plus massif que le soleil, et il se trouve au centre d’une énorme galaxie elliptique, Messier 87, à environ 55 millions d’années-lumière dans la constellation de la Vierge. Il y a deux ans, l’équipe l’a photographié, produisant la première image d’un trou noir. L’entité auparavant invisible – un hublot pour l’éternité – ressemblait à un anneau de fumée flou, tout comme les équations d’Albert Einstein l’avaient prédit il y a un siècle.

Le groupe a passé les deux dernières années à extraire davantage de données de leurs observations sur la polarisation des ondes radio, ce qui peut révéler la forme des champs magnétiques dans le gaz chaud tourbillonnant autour du trou.

Maintenant, vu à travers l’équivalent radio des lunettes de soleil polarisées, le trou noir M87 apparaît comme un vortex finement moustaché, comme les pales de ventilateur en rotation d’un moteur à réaction, pompant de la matière dans le trou noir et de l’énergie vers l’extérieur dans l’espace.

«C’est comme mettre une paire de lunettes de soleil polarisées par une journée ensoleillée – tout d’un coup, vous pouvez voir ce qui se passe», a déclaré Sheperd Doeleman, astronome au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics et directeur fondateur de la collaboration.

«Maintenant, nous pouvons réellement voir les modèles de ces champs dans M87 et commencer à étudier comment le trou noir achemine le matériau vers son centre», a-t-il déclaré.

Dans un courriel, Daniel Holz, astrophysicien à l’Université de Chicago qui ne faisait pas partie de la recherche, a qualifié les phénomènes comme parmi les plus extrêmes de la nature, “combinant la gravité et les gaz chauds et les champs magnétiques pour produire un faisceau qui traverse tout un C’est passionnant qu’EHT nous aide à en savoir plus sur ce qui se passe au cœur de ces jets relativistes qui prennent naissance très près de la «surface» d’un trou noir. “

Janna Levin, astrophysicienne au Barnard College of Columbia University qui étudie les trous noirs mais ne faisait pas partie de l’équipe EHT, a qualifié les résultats de «passionnants», car ils ont révélé des détails sur la façon dont un trou noir peut créer «un rayon astronomique mortel et puissant. canon qui s’étend sur des milliers d’années-lumière. »

Le niveau de détail de la nouvelle image, a-t-elle dit, pourrait renouveler l’intérêt des théoriciens pour les caractéristiques qu’ils avaient renoncé à pouvoir observer. “Beaucoup de gens reviendront à leurs jolis calculs, juste des rêveries au stylo sur du papier, pour demander, tous excités et nerveux,” Est-ce que l’EHT pourrait réellement voir cela? “, A déclaré Levin. «Je vais être l’un d’entre eux.»

Les résultats ont été annoncés le mois dernier dans deux articles publiés dans le Astrophysical Journal Letters by the Event Horizon Telescope Collaboration, et dans un troisième article – par Ciriaco Goddi de l’Université Radboud aux Pays-Bas et une grande distribution internationale – qui a été accepté par le même journal.

Démons sombres du cosmos

Les trous noirs sont des fosses sans fond dans l’espace-temps, où la gravité est si puissante que même la lumière ne peut pas s’échapper; tout ce qui entre disparaît essentiellement de l’univers. Le cosmos est jonché de trous noirs. Beaucoup sont des étoiles mortes qui se sont effondrées de manière catastrophique sur elles-mêmes. L’une se trouve au centre de presque toutes les galaxies et est des millions ou des milliards de fois plus grande que n’importe quelle étoile.

Paradoxalement, malgré leur capacité à avaler la lumière, les trous noirs sont les objets les plus lumineux de l’univers. Le matériel – gaz, poussière, étoiles déchiquetées – qui tombe dans un trou noir est chauffé à des millions de degrés alors qu’il tourbillonne autour du drain de malheur dans un maelström dense de champs électromagnétiques. La plupart de cette matière tombe dans le trou noir, mais une partie est expulsée, comme le dentifrice, par d’énormes pressions et champs magnétiques. Les astronomes ignorent comment toute cette énergie survient et est mobilisée.

De tels feux d’artifice, qui peuvent éclipser les galaxies mille fois, peuvent être vus à travers l’univers; lorsqu’ils ont été observés pour la première fois au début des années 1960, ils étaient appelés quasars. Cette découverte a conduit les physiciens et les astronomes à prendre d’abord au sérieux l’idée que les trous noirs existent.

En 2009, désireux d’explorer les mécanismes sous-jacents et de vérifier les prédictions d’Einstein sur les trous noirs, Doeleman et ses collègues ont formé le télescope Event Horizon, une collaboration internationale composée d’environ 300 astronomes de 13 institutions.

Le télescope porte le nom du point de non-retour autour d’un trou noir; au-delà de l’horizon des événements, toute la lumière et la matière sont consommées. En avril 2017, lorsque le télescope a passé 10 jours à observer M87, il se composait d’un réseau de huit observatoires radio à travers le monde – «un télescope aussi grand que le monde», comme aime à dire Doeleman, capable de repérer des détails aussi petits qu’un orange sur la lune. L’équipe a ensuite mis deux ans pour traiter les données. Les résultats se sont réunis en avril 2019, lorsque Doeleman et ses collègues ont présenté les premières images – des cartes radio, vraiment – d’un trou noir, le monstre dans M87.

Les trous noirs ont été «entendus» pour la première fois en 2015, par l’observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser. Maintenant, ils pouvaient être vus, comme un portail d’encre du néant encadré par un beignet tourbillonnant de gaz rayonnant au centre de la galaxie Messier 87.

«Nous avons vu ce que nous pensions être invisible», a déclaré Doeleman à l’époque. La photo a fait la une des journaux du monde entier et un exemplaire se trouve maintenant dans la collection permanente du Museum of Modern Art de New York.

Mais ce n’était que le début du voyage vers l’intérieur.

À l’intérieur du dynamo

Il a fallu encore deux ans aux chercheurs pour produire les images polarisées nouvellement publiées.

Des jets et des lobes de radio, de rayons X et d’autres formes d’énergie s’étendent à plus de 100 000 années-lumière du trou noir de M87. Une grande partie de ce rayonnement provient de particules électriques énergétiques qui tournent en spirale dans des champs magnétiques.

L’image nouvellement traitée permet aux astronomes de retracer ces champs jusqu’à leurs origines, dans un anneau chaud et chaotique de gaz électrifié, ou plasma, d’environ 30 milliards de kilomètres de diamètre – quatre fois plus large que l’orbite de Pluton. Cette réalisation est rendue possible parce que la lumière du disque est partiellement polarisée, vibrant plus dans une direction que dans d’autres.

«La direction et l’intensité de la polarisation dans l’image nous renseignent sur les champs magnétiques près de l’horizon des événements du trou noir», a déclaré Andrew Chael, astrophysicien à l’Université de Princeton qui fait partie de l’équipe EHT.

Les astronomes se demandent depuis des années si les champs magnétiques entourant les trous noirs dits de faible luminosité comme M87 étaient faibles et turbulents ou «forts» et cohérents. Dans ce cas, a déclaré Chael, les champs magnétiques sont suffisamment puissants pour perturber la chute du gaz et transférer l’énergie du trou noir en rotation vers le jet.

«Les images EHT indiquent également que le jet lumineux du M87 est en fait alimenté par l’énergie de rotation du trou noir, qui tord les champs magnétiques lors de sa rotation», a déclaré Michael Johnson, un autre membre de l’EHT du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. .

Doeleman a déclaré: «Cela donne aux ondes radio émises la torsion azimutale» observée dans le motif incurvé des nouvelles images polarisées. Il a noté que la torsion azimutale serait un «bon nom pour un cocktail».

Un sous-produit du travail, a déclaré Doeleman, était que les astronomes ont pu estimer la vitesse à laquelle le trou noir se nourrit de son environnement. Apparemment, il n’a pas terriblement faim; le trou noir mange «un dérisoire» un millième de la masse du soleil par an.

«Pourtant, il suffit de lancer des jets puissants qui s’étendent sur des milliers d’années-lumière, et il est suffisamment radieux pour que nous puissions le capturer avec l’EHT», a-t-il déclaré.

Doeleman jette déjà les bases de ce qu’il appelle la «prochaine génération» EHT, qui produira des films de cette structure de propulsion magnétique en action.