Les scientifiques proposent une méthode pour tester la théorie générale de la relativité d'Einstein en analysant des images haute résolution des ombres de trous noirs. Leurs nouvelles simulations suggèrent que les avancées futures des télescopes pourraient révéler si des théories alternatives de la gravité sont valides. Ce travail, dirigé par des chercheurs de l'Université Goethe de Francfort et de l'Institut Tsung-Dao Lee, paraît dans Nature Astronomy.
Les trous noirs, décrits comme des gloutons cosmiques qui avalent tout, y compris la lumière, ont été imagés par la collaboration Event Horizon Telescope (EHT), capturant des trous noirs supermassifs dans la galaxie M87 et la Voie lactée. Ces images ne montrent pas les trous noirs eux-mêmes, mais la matière chaude dans leur voisinage. «Ce que vous voyez sur ces images n'est pas le trou noir lui-même, mais plutôt la matière chaude dans son voisinage immédiat,» explique le Prof. Luciano Rezzolla de l'Université Goethe de Francfort, dont l'équipe a contribué à la découverte. Alors que la matière tourne en dehors de l'horizon des événements avant d'être aspirée, elle émet des signaux lumineux détectables.
La théorie générale de la relativité d'Einstein, fondamentale depuis plus d'un siècle, prédit les trous noirs et leurs horizons des événements, au-delà desquels rien ne s'échappe. Cependant, d'autres théories hypothétiques prédisent également des trous noirs mais peuvent exiger des propriétés spécifiques de la matière ou violer des lois physiques connues. «Il existe cependant d'autres théories, encore hypothétiques, qui prédisent également l'existence de trous noirs,» note Rezzolla.
Dans une étude publiée dans Nature Astronomy, Rezzolla et ses collègues de l'Institut Tsung-Dao Lee à Shanghai décrivent un cadre pour tester ces alternatives en utilisant des images des ombres de trous noirs. Cela nécessite des images haute résolution pour mesurer précisément les rayons des ombres et des modèles théoriques de déviations par rapport aux prédictions d'Einstein. L'équipe a utilisé des simulations tridimensionnelles pour modéliser la matière et les champs magnétiques autour des trous noirs, générant des images synthétiques de plasma luminescent.
«La question centrale était : Dans quelle mesure les images de trous noirs diffèrent-elles selon les diverses théories ?» dit l'auteur principal Akhil Uniyal de l'Institut Tsung-Dao Lee. Ils ont identifié des motifs que des images plus nettes futures pourraient distinguer, bien que la résolution actuelle de l'EHT soit insuffisante. Une description universelle des trous noirs a été développée pour englober divers cadres.
Jusqu'à présent, les observations sont conformes à la théorie d'Einstein, excluant les singularités nues et les trous de ver dans les trous noirs de M87 et de la Voie lactée. «L'une des contributions les plus importantes de la collaboration EHT à l'astrophysique est de transformer les trous noirs en objets testables,» souligne Rezzolla. «Même la théorie établie doit être testée en continu, surtout avec des objets extrêmes comme les trous noirs.»
L'EHT, qui combine des télescopes radio mondiaux pour agir comme un instrument de la taille de la Terre, prévoit des extensions incluant un télescope spatial pour une meilleure résolution—potentiellement inférieure à un millionième de seconde d'arc—afin de permettre des tests définitifs.