Vous avez probablement entendu parler de la première photo d'un trou noir publiée par un scientifique. Cette photo a constitué une nouvelle étonnante non seulement pour le domaine de l'astronomie, mais aussi pour le monde entier. Cette photo était le premier pas vers une nouvelle porte d'accès à l'information. L'univers est de plus en plus éclairé par de nouvelles informations et, grâce à cela, nous sommes capables de mieux comprendre tous les mystères qui se trouvent au-delà de notre planète.
Récemment, douze lauréats ont reçu le prix Nobel 2020 et chacun d'entre eux a apporté une contribution remarquable à l'humanité grâce à ses recherches et à ses découvertes. Ce sont tous des chercheurs extraordinaires et nous aimerions parler de chacun d'entre eux ici, mais aujourd'hui, pour une meilleure explication et compréhension du 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 des méthodes mathématiques impressionnantes, a prouvé que les trous noirs sont liés à la théorie de la relativité d'Einstein, tandis que les travaux de Reinhard Genzel et d'Andrea Ghez ont apporté des preuves irréfutables qu'il existe bien un trou noir au centre de notre galaxie de la Voie lactée, aujourd'hui connue sous le nom de Sagittarius A*.
Pour bien comprendre le thème, nous devons connaître quelques notions de base sur les trous noirs, comme "Qu'est-ce qu'un trou noir ? Où peut-on en trouver un ?"
La première chose à savoir est un concept très utilisé dans de nombreux domaines de l'astronomie, à savoir la notion d'espace-temps. L'espace-temps est un manifold à quatre dimensions, trois dimensions d'espace et une dimension de temps, dans un système de coordonnées (x,y,z,t). Il est intéressant de noter 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 détacher ! Ils sont tous fortement attirés par la force de gravité dans le trou noir et disparaissent dans un endroit qui reste encore aujourd'hui inconnu des scientifiques. Ce qui est intéressant ici, c'est que si même la lumière ne peut pas 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 en fin de vie. La masse est un facteur très important pour décider si l'étoile morte va se transformer en trou noir ou en étoile à neutrons. Cette étoile très massive est comprimée dans un espace très restreint en raison 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 pointant vers le centre du corps de masse dense. Sous l'effet de cette force, le gaz et les particules proches du trou noir commencent à acquérir une vitesse de rotation et sont attirés de force vers le trou noir. Ce phénomène est appelé Disque d'accrétion.
Cette force gravitationnelle et de frottement fait que tous les gaz et particules ayant une charge électrique génèrent non seulement une augmentation de la température, mais aussi un rayonnement électromagnétique de différentes fréquences, comme l'infrarouge ou les rayons X. Cette caractéristique étonnante permet de "voir" un trou noir. C'est bien, mais cela ne facilite pas le travail du scientifique à 100 %, 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 du trou noir de la même manière que celle d'une étoile ordinaire ; elles sont très différentes l'une de l'autre. Mais la bonne nouvelle, c'est que l'objet noir du début est maintenant légèrement éclairé dans le fond noir.
La première image du trou noir montre le disque d'accrétion. Dans ce cas, le trou noir est 6,5 millions de fois plus lourd que notre soleil et se trouve dans la galaxie Messier 87, à 53 millions d'années-lumière de la Terre. L'image a été possible grâce au travail temporel de huit télescopes différents à travers le monde, le télescope Event Horizon et d'autres missions de télescopes spatiaux. Ensemble, ils ont capturé en même temps des données de M87, en avril 2017. Chacun d'entre eux a capturé des données différentes du trou noir, puis tout a été rassemblé pour former l'image. Cela peut sembler facile et ne nécessiter qu'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 a montré que les données recueillies au cours de 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 très lourde réside au milieu de ces étoiles. "Il n'y a pas de 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 coeur 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 mobiles au même endroit, comme il est dit dans l'article "les pics de densité de surface stellaire et de dispersion de vitesse sont cohérents avec la position du candidat trou noir (encore candidat à l'époque) Sgr A*" (GHEZ et al., 1998). Les images utilisées dans l'étude ont été obtenues dans les longueurs d'onde de l'infrarouge proche, le type de fréquence émise par le disque d'accrétion.
Voici une courte liste de ces articles :
GENZEL, R. et al. On the nature of the dark mass in the center 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. The Astrophysical Journal, v. 509, n. 2, p. 678-686, dez. 1998.
GHEZ, A. M. et al. Measuring Distance and Properties of the Milky Way's Central Supermassive Black Hole with Stellar Orbits. The Astrophysical Journal, v. 689, n. 2, p. 1044-1062, dez. 2008.
L'univers n'est-il pas si beau ?
Tout cela est déjà incroyable, mais il reste encore beaucoup à faire, comme l'a dit 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 qui règnent à proximité immédiate d'un trou noir". Et nous serons là, mais nous attendons avec impatience la prochaine pause ! En attendant, nous remercions les lauréats de cette année Roger Penrose, Reinhard Genzel et Andrea GhezVous êtes géniaux !
Si vous souhaitez également en savoir plus sur les travaux de Roger Penrose, voici quelques articles décrivant ses travaux. L'un d'entre eux a été publié avec 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 physique, v. 65, n. 7, p. 676-676, 1 juillet 1997.
EHLERS, J. ; RINDLER, W. ; PENROSE, R. La conservation de l'énergie comme base de la mécanique relativiste. 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 mai 1962.
PENROSE, R. ; RINDLER, W. Energy Conservation as the Basis of Relativistic Mechanics. American Journal of Physics, v. 33, n. 1, p. 55-59, 1er janvier 1965.
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