Vous avez probablement entendu parler de la première photo de trou noir publiée par un scientifique. Cette photo a été une nouvelle étonnante non seulement pour le domaine de l'astronomie mais aussi pour le monde entier. Cette photo a été le premier pas vers une nouvelle porte d'information. L'univers est de plus en plus éclairé par de nouvelles informations, ce qui nous permet de mieux comprendre tous les mystères qui entourent notre planète.
Récemment, nous avons vu douze lauréats recevoir le prix Nobel 2020, et comment chacun d'entre eux a contribué de façon remarquable à l'humanité par ses recherches et ses découvertes. Ce sont tous des chercheurs extraordinaires et nous aimerions beaucoup parler de chacun d'entre eux ici, mais aujourd'hui, pour mieux expliquer et comprendre le contexte de la première image de trou noir, nous allons parler du travail des lauréats Roger Penrose, Reinhard Genzel et Andrea Ghez, les lauréats du prix Nobel de physique.
Selon le site officiel du prix Nobel, les lauréats ont été récompensés "pour la découverte que la formation des trous noirs est une prédiction robuste de la théorie générale de la relativité" et "pour la découverte d'un objet compact supermassif au centre de notre galaxie". Penrose, grâce à d'impressionnantes méthodes mathématiques, a prouvé que les rôles noirs sont liés à la théorie de la relativité d'Einstein, tandis que les travaux de Reinhard Genzel et Andrea Ghez ont apporté des preuves irréfutables de la présence d'un trou noir au centre de notre galaxie, la Voie lactée, aujourd'hui connue sous le nom de Sagittarius A*.
Pour bien comprendre ce thème, nous devons connaître quelques notions de base sur les trous noirs, comme "Qu'est-ce qu'un trou noir ?"; "De quoi sont-ils faits ? Où peut-on en trouver un ?"
La première chose que nous devons savoir est un concept très utilisé dans de nombreux sujets du domaine de l'astronomie, à savoir la notion d'espace-temps. L'espace-temps est un collecteur à quatre dimensions, trois dimensions d'espace et une dimension de temps. Dans un système de coordonnées, nous aurions (x,y,z,t). Un fait intéressant est qu'un point unique dans ce système de coordonnées est appelé un événement. Ceci étant dit, nous pouvons obtenir la définition d'un trou noir.
Le trou noir est une région de l'espace-temps où la gravité est si forte que tout gaz, poussière, particule ou même la lumière ne peut s'en libérer ! Ils sont tous FORTEMENT attirés par la force de gravité dans le trou noir et disparaissent, allant dans un endroit qui reste inconnu même aujourd'hui pour le scientifique. La partie intéressante ici est que si même la lumière ne peut se libérer de cette force, il est impossible de voir un trou noir ou même de savoir où il se trouve. C'est comme essayer de voir un objet noir sur un fond noir, vous ne pouvez pas voir, ou si vous le faites, c'est très difficile. Alors, comment les scientifiques font-ils ?
En théorie, les trous noirs se forment généralement lorsqu'une étoile très massive, beaucoup plus lourde que le soleil, s'effondre, à la fin de sa vie. La masse est un facteur très important pour décider si l'étoile morte va se transformer en un trou noir ou en une étoile à neutrons. Cette étoile super massive est comprimée dans un espace très réduit à cause de la gravité et pour former le trou noir, cette masse compacte peut déformer l'espace-temps, selon la théorie de la relativité générale.
Cette déformation de l'espace-temps crée une force d'accélération gravitationnelle dirigée vers le centre du corps de masse dense. En raison de cette force, les gaz et les particules proches du trou noir commencent à acquérir une vitesse de rotation en étant attirés de force dans le trou noir. Ce phénomène est appelé le Disque d'accrétion.
Cette force gravitationnelle et de friction fait en sorte que tous les gaz et particules ayant des charges électriques génèrent non seulement une augmentation de la température, mais aussi un rayonnement électromagnétique de différentes fréquences, comme l'infrarouge ou les rayons X. Grâce à cette caractéristique étonnante, un trou noir peut être "vu". C'est bien, mais cela ne facilite pas à 100 % le travail du scientifique. Vous avez une fréquence que vous pouvez suivre, mais vous ne pouvez toujours pas dire "oh, regardez, un trou noir là-bas dans le ciel". Nous ne pouvons pas traiter la lumière d'un trou noir comme celle d'une étoile ordinaire ; elles sont très différentes l'une de l'autre. Mais la bonne nouvelle est que l'objet noir du début est maintenant légèrement éclairé dans le fond noir.
Sur la première image du trou noir, on peut voir le disque d'accrétion. Le trou noir dans ce cas est 6,5 millions de fois plus lourd que notre Soleil, et est situé dans la galaxie Messier 87, à 53 millions d'années-lumière de la Terre. L'image a pu être réalisée grâce au travail temporel de huit télescopes différents dans le monde, du télescope Event Horizon et d'autres missions de télescopes spatiaux, qui ont capturé en même temps les données de M87, en avril 2017. Chacun d'entre eux a capturé des données différentes du trou noir, puis ces dernières ont été assemblées pour former l'image. Cela peut sembler facile et se faire en une seule étape, mais les scientifiques ont dû travailler dur pour bien comprendre toutes les données et savoir comment les traiter, quel algorithme utiliser et comment l'utiliser.
Dans un article publié en 1997, Genzel montre que les données collectées sur cinq années différentes, de 1992 à 1996, capturent des étoiles en mouvement rapide dans le voisinage immédiat de Sgr A*, et qu'une masse sombre très importante et lourde réside au milieu de ces étoiles. "Il n'existe aucune configuration stable d'étoiles normales, de restes stellaires ou d'entités substellaires à cette densité" indique l'article (GENZEL et al., 1997). En conclusion, "il doit y avoir un trou noir massif au cœur de la Voie lactée".
Dans un autre article publié en 1998 par Ghez, une étude de deux ans a détecté le même schéma de départs en mouvement au même endroit, comme il est dit dans l'article "les pics de la densité de la surface stellaire et de la dispersion de la vitesse sont cohérents avec la position du trou noir candidat (encore candidat à cette époque) Sgr A*" (GHEZ et al., 1998). Les images utilisées dans l'étude ont été obtenues par des longueurs d'onde proches de l'infrarouge, le type de fréquence émise par le disque d'accrétion.
Voici une courte liste avec ces articles :
GENZEL, R. et al. On the nature of the dark mass in the centre of the Milky Way. Notices mensuelles de la Société royale d'astronomie, v. 291, n. 1, p. 219-234, 11 out. 1997.
GHEZ, A. M. et al. High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A\ast : Evidence for a Supermassive Black Hole at the Center of Our Galaxy. Le Journal de l'astrophysique, v. 509, n. 2, p. 678-686, dez. 1998.
GHEZ, A. M. et al. Measuring Distance and Properties of the Central Supermassive Black Hole of the Milky Way's with Stellar Orbits. Le Journal de l'astrophysique, v. 689, n. 2, p. 1044-1062, dez. 2008.
L'univers n'est-il pas si beau ?
Comme l'a déclaré David Haviland, président du comité Nobel de physique, "...ces objets exotiques posent encore de nombreuses questions qui appellent des réponses et motivent les recherches futures. Non seulement des questions sur leur structure interne, mais aussi des questions sur la manière de tester notre théorie de la gravité dans les conditions extrêmes du voisinage immédiat d'un trou noir". Et nous serons là, attendant avec impatience la prochaine pause ! En attendant, nous remercions les lauréats de cette année Roger Penrose, Reinhard Genzel et Andrea Gheztu es génial !
Si vous souhaitez également vous informer sur les travaux de Roger Penrose, voici quelques articles décrivant ses travaux. L'un d'eux a été publié en même temps que le légendaire Stephen Hawking. Vous pouvez également consulter ces articles ici :
HAWKING, S. ; PENROSE, R. La nature de l'espace et du temps. Journal américain de la physique, v. 65, n. 7, p. 676-676, 1 jul. 1997.
EHLERS, J. ; RINDLER, W. ; PENROSE, R. Energy Conservation as the Basis of Relativistic Mechanics. II. American Journal of Physics, v. 33, n. 12, p. 995-997, 1 dez. 1965.
NEWMAN, E. ; PENROSE, R. An Approach to Gravitational Radiation by a Method of Spin Coefficients. Journal of Mathematical Physics, v. 3, n. 3, p. 566-578, 1 maio 1962.
PENROSE, R. ; RINDLER, W. Energy Conservation as the Basis of Relativistic Mechanics. American Journal of Physics, v. 33, n. 1, p. 55-59, 1 jan. 1965.
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