Un disque de gaz incandescent tourbillonne dans le trou noir « Gargantua » du film Interstellar. Parce que l'espace s'incurve autour du trou noir, il est possible de regarder autour de sa face cachée et de voir la partie du disque de gaz qui serait autrement cachée par le trou. Notre compréhension de ce mécanisme a maintenant été améliorée par l'étudiant danois en master à NBI, Albert Sneppen. Crédit : Interstellar.wiki/CC BY-NC
À proximité des trous noirs, l'espace est tellement déformé que même les rayons lumineux peuvent se courber plusieurs fois autour d'eux. Ce phénomène peut nous permettre de voir plusieurs versions de la même chose. Bien que cela soit connu depuis des décennies, ce n'est que maintenant que nous avons une expression mathématique exacte, grâce à Albert Sneppen, étudiant à l'Institut Niels Bohr. Le résultat, encore plus utile dans les trous noirs réalistes, vient d'être publié dans la revue Rapports scientifiques.
Vous avez probablement entendu parler des trous noirs - les merveilleux blocs de gravité d'où même la lumière ne peut s'échapper. Vous avez peut-être également entendu dire que l'espace lui-même et même le temps se comportent étrangement près des trous noirs ; l'espace est déformé.
La lumière de la galaxie d'arrière-plan fait le tour d'un trou noir un nombre croissant de fois, plus elle passe près du trou, et nous voyons donc la même galaxie dans plusieurs directions. Crédit : Peter Laursen
À proximité d'un trou noir, l'espace se courbe tellement que les rayons lumineux sont déviés, et la lumière très proche peut être tellement déviée qu'elle fait plusieurs fois le tour du trou noir. Par conséquent, lorsque nous observons une galaxie lointaine en arrière-plan (ou un autre corps céleste), nous pouvons avoir la chance de voir la même image de la galaxie plusieurs fois, bien que de plus en plus déformée.
Galaxies en plusieurs versions
Le mécanisme est illustré sur la figure ci-dessous : une galaxie lointaine brille dans toutes les directions — une partie de sa lumière s'approche du trou noir et est légèrement déviée ; une partie de la lumière s'approche encore plus et contourne le trou une seule fois avant de s'échapper jusqu'à nous, et ainsi de suite. En regardant près du trou noir, on voit de plus en plus de versions de la même galaxie, plus on se rapproche du bord du trou que l'on regarde.
À quelle distance du trou noir devez-vous regarder d'une image pour voir l'image suivante ? Le résultat est connu depuis plus de 40 ans, et est environ 500 fois (pour les aficionados de maths, il s'agit plus précisément de la « fonction exponentielle de deux pi », notée e2π).
La situation vue de face, c'est-à-dire comment nous l'observerions réellement depuis la Terre. Les images supplémentaires de la galaxie deviennent de plus en plus serrées et déformées, plus nous regardons de plus près le trou noir. Crédit : Peter Laursen
Le calcul de ceci est si compliqué que, jusqu'à récemment, nous n'avions pas encore développé une intuition mathématique et physique quant à la raison pour laquelle il se trouve qu'il s'agit de ce facteur exact. Mais en utilisant quelques astuces mathématiques intelligentes, Albert Sneppen, étudiant à la maîtrise du Cosmic Dawn Center – un centre de recherche fondamentale relevant à la fois de l'Institut Niels Bohr et de DTU Space – a maintenant réussi à prouver pourquoi.
« Il y a quelque chose de fantastiquement beau à comprendre maintenant pourquoi les images se répètent d'une manière si élégante. En plus de cela, cela offre de nouvelles opportunités pour tester notre compréhension de la gravité et des trous noirs », précise Albert Sneppen.
Prouver quelque chose mathématiquement n'est pas seulement satisfaisant en soi ; en effet, cela nous rapproche d'une compréhension de ce phénomène merveilleux. Le facteur « 500 » découle directement du fonctionnement des trous noirs et de la gravité, de sorte que les répétitions des images deviennent désormais un moyen d’examiner et de tester la gravité.
Des trous noirs en rotation
En tant que fonctionnalité entièrement nouvelle, la méthode de Sneppen peut également être généralisée pour s'appliquer non seulement aux trous noirs « triviaux », mais également aux trous noirs qui tournent. Ce qu'ils font tous en fait.
« Il s'avère que lorsqu'il tourne très vite, vous n'avez plus besoin de vous rapprocher du trou noir d'un facteur 500, mais nettement moins. En fait, chaque image n'est maintenant que 50, ou 5, voire jusqu'à 2 fois plus près du bord du trou noir », explique Albert Sneppen.
Le fait de devoir regarder 500 fois plus près du trou noir pour chaque nouvelle image signifie que les images sont rapidement « compressées » en une seule image annulaire, comme le montre la figure de droite. En pratique, les nombreuses images seront difficiles à observer. Mais lorsque les trous noirs tournent, il y a plus de place pour les images "supplémentaires", nous pouvons donc espérer confirmer la théorie par observation dans un avenir pas si lointain. De cette façon, nous pouvons en apprendre davantage sur les trous noirs, mais aussi sur les galaxies derrière eux :
Le temps de trajet de la lumière augmente, plus elle doit faire le tour du trou noir, donc les images deviennent de plus en plus « retardées ». Si, par exemple, une étoile explose en supernova dans une galaxie d'arrière-plan, on pourrait voir cette explosion encore et encore.
Référence : « Réflexions divergentes autour de la sphère photonique d'un trou noir » par Albert Snepppen, 9 juillet 2021, Rapports scientifiques.
DOI : 10.1038/s41598-021-93595-w
