Demandez à Ethan: À quoi devrait ressembler l'horizon des événements du trou noir?

Image d'un trou noir. Malgré sa couleur sombre, on pense que tous les trous noirs ont été formés à partir de matière ordinaire, mais de telles illustrations ne sont pas entièrement exactes.

En avril 2017, des télescopes du monde entier ont collecté simultanément des données sur le trou noir central de la Voie lactée. De tous les trous noirs connus dans l'univers, celui situé au centre de la Galaxie - Sagittaire A * - est spécial. De notre point de vue, son horizon d'événements est le plus grand trou noir à notre disposition. Il est si grand que les télescopes situés à différents endroits sur Terre devraient le voir s'ils le regardaient tous simultanément. Bien qu'il faudra des mois pour combiner et analyser les données obtenues à partir de différents télescopes, d'ici la fin de 2017, nous devrions obtenir notre première image de l'horizon des événements. Alors, à quoi devrait-il ressembler? Cette question est posée par l'un de nos lecteurs, confus dans les illustrations:

L'horizon des événements ne devrait-il pas entourer complètement le trou noir à la manière d'une coquille d'oeuf? Tous les artistes peignent des trous noirs sous la forme d'œufs durs coupés. Pourquoi l'horizon des événements n'entoure-t-il pas complètement le trou noir?

Bien sûr, sur Internet, vous pouvez trouver des illustrations de différents types. Mais lesquels sont corrects?


Dessin avec un simple cercle noir et un anneau autour - une image simplifiée à l'excès de l'horizon BH

L'illustration la plus ancienne est un simple disque noir qui recouvre toute la lumière derrière. Cela a du sens si vous vous souvenez de ce qu'est le BH: en fait, c'est une masse collectée en un endroit qui est si grande et si compacte que la vitesse de fuite de sa surface dépasse la vitesse de la lumière. Étant donné que rien ne peut se déplacer aussi rapidement, même le transfert des interactions entre les particules à l'intérieur du BH, à l'intérieur du BH s'effondre en une singularité, et un horizon d'événements se forme autour du BH. La lumière ne peut pas s'échapper de cette partie sphérique du cosmos; par conséquent, elle devrait ressembler de n'importe quelle perspective, comme un cercle noir superposé au fond de l'Univers.


La BH n'est pas seulement une masse sur un fond isolé, elle a des effets gravitationnels qui étirent, augmentent et déforment la lumière en raison des lentilles gravitationnelles.

Mais ce n'est pas toute l'histoire. En raison de la gravité, les BH augmentent et déforment la lumière provenant de l'arrière en raison de l'effet des lentilles gravitationnelles. Il existe des illustrations plus précises et plus détaillées de l'apparence du BH, et il a même un horizon d'événements dont la taille est correctement comparée à la courbure de l'espace selon GR.

Malheureusement, ces illustrations ne sont pas sans inconvénients: elles ne prennent pas en compte le matériau devant le trou noir et le disque d'accrétion autour du trou noir. Certaines images incluent cela.


L'image d'un BH actif, occupée par l' accumulation de matière et l'accélération de sa partie sous la forme de deux jets perpendiculaires, peut décrire correctement le BH au centre de notre Galaxie à plusieurs points de vue.

En raison des énormes effets gravitationnels, les trous noirs forment des disques d'accrétion en présence d'autres sources de matière. Les astéroïdes, les nuages ​​de gaz, les étoiles entières peuvent être déchirés par les forces de marée émanant d'objets aussi massifs que les trous noirs. En raison de la conservation de la quantité de mouvement angulaire et des collisions entre diverses particules tombant dans le BH, un objet en forme de disque apparaît autour de lui, qui se réchauffe et rayonne. Dans les régions intérieures, des particules tombent périodiquement dans le trou noir, ce qui augmente sa masse, et le matériau devant lui couvre une partie de la sphère que vous verriez autrement.

Mais l'horizon des événements lui-même est opaque, et vous ne devriez pas voir de matière derrière.


Au niveau du trou noir dans le film interstellaire, l'horizon des événements pour une classe spéciale de BH en rotation est montré assez précisément

Vous serez peut-être surpris que dans le film hollywoodien Interstellar BH soit représenté plus précisément que dans de nombreuses images professionnelles créées dans ou pour la NASA. Mais même parmi les professionnels, il existe de nombreuses idées fausses sur la BH. Les BH n'aspirent pas la matière, mais exercent seulement un effet gravitationnel. Les BH ne déchirent pas les objets en raison d'une force supplémentaire - les forces de marée simples le font lorsqu'une partie de l'objet qui tombe est plus proche du centre que l'autre. Et, plus important encore, les BH existent rarement dans un état «nu» et sont souvent situés près d'une autre matière, comme celle qui existe au centre de notre galaxie.


Image composite de BH Sagittaire A * au centre de notre Galaxie, composée de rayons X et infrarouges. Il a une masse de 4 millions de solaires et est entouré de gaz chaud émettant dans la gamme des rayons X

Conscient de tout cela, rappelons-nous quel genre d'images d'oeufs durs sont? N'oubliez pas que le BH lui-même ne peut pas être représenté, car il n'émet pas de lumière. Nous ne pouvons observer que dans une certaine gamme de longueurs d'onde et voir une combinaison de lumière contournant le BH par derrière, se pliant autour et devant lui. Et le signal résultant ressemblera vraiment à un œuf dur, coupé en deux.


Quelques signaux possibles de l'horizon des événements BH obtenus dans les simulations du projet " Event Horizon Telescope "

La chose est exactement ce que nous photographions. Nous ne pouvons pas observer dans le domaine des rayons X, car il y a trop peu de ces photons. Nous ne pouvons pas observer en lumière visible, car le centre de la galaxie lui est opaque. Et nous ne pouvons pas observer dans la lumière infrarouge, car l'atmosphère bloque ces rayons. Mais nous pouvons observer dans la portée radio, et le faire partout dans le monde, en même temps, pour obtenir la meilleure résolution possible.


Parties du «télescope Event Horizon» d'un hémisphère

La taille angulaire de la BH au centre de la galaxie est d'environ 37 microsecondes angulaires, et la résolution du télescope est de 15 microsecondes angulaires, donc nous devrions pouvoir le voir! La plupart des rayonnements radiofréquences proviennent de particules de matière chargées, accélérant autour du BH. Nous ne savons pas comment le disque sera orienté, s'il y aura plusieurs disques là-bas, s'il ressemblera plus à un essaim d'abeilles ou à un disque compact. Nous ne savons pas non plus s'il préférerait un «côté» de la BH, de notre point de vue, à l'autre.


Cinq simulations différentes en relativité générale utilisant le modèle magnétohydrodynamique du disque d'accrétion du trou noir, et à quoi ressemblera le signal reçu

On s'attend à trouver un véritable horizon d'événements, d'une certaine taille, bloquant toute la lumière venant de derrière. Nous nous attendons également à la présence d'un signal situé devant lui, à l'inégalité de ce signal en raison d'un désordre autour du trou noir et à ce que l'orientation du disque par rapport au trou noir déterminera exactement ce que vous pouvez voir.

Une partie sera plus brillante lorsque le disque tournera dans notre direction. L'autre côté est plus sombre lorsque le disque s'éloigne de nous. Le contour de l'horizon des événements peut également être visible en raison de la lentille gravitationnelle. Plus important encore, l'emplacement du disque vers nous avec un bord ou un plan affectera considérablement la nature du signal reçu, comme on peut le voir dans les premier et troisième carrés de la figure ci-dessous.


L'emplacement du disque vers nous avec un bord (deux carrés droits) ou un plan (deux carrés gauches) affectera grandement ce que nous verrons BH

Nous pouvons vérifier d'autres effets, à savoir:

• Le BH a-t-il la taille prédite par GR,
• si l'horizon des événements est rond (comme prévu), allongé ou aplati aux pôles,
• l'émission radio s'étend-elle plus loin que nous ne le pensons

ou il y a encore quelques écarts par rapport au comportement attendu. Il s'agit d'une nouvelle étape en physique et nous sommes sur le point de le vérifier directement. Une chose est claire: peu importe ce que le «Event Horizon Telescope» voit, nous apprendrons certainement quelque chose de nouveau et de beau sur l'un des objets et des conditions les plus extrêmes de l'Univers!

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].