En avril 2019, des scientifiques ont publié la première image d’un trou noir dans la galaxie M87 à l’aide du télescope Event Horizon (EHT). Pourtant, cette réalisation remarquable n’était que le début de l’histoire scientifique à raconter. Astronomes de l’Université McGill ils faisaient partie de cet effort mondial.
Désormais, les données de 19 observatoires sont publiées, promettant de fournir une vue inégalée de ce trou noir et du système qu’il alimente, et d’améliorer les preuves de la théorie de la relativité générale d’Einstein.
“Nous savions que la première image directe d’un trou noir serait révolutionnaire”, a déclaré Kazuhiro Hada de l’Observatoire astronomique national du Japon, co-auteur d’une nouvelle étude publiée récemment dans Les lettres du journal astrophysique décrivant le grand ensemble de données. “Mais pour tirer le meilleur parti de cette image remarquable, nous devons en savoir le plus possible sur le comportement du trou noir à l’époque en observant l’ensemble du spectre électromagnétique.”
Lumière des ténèbres
L’immense attraction gravitationnelle d’un trou noir supermassif peut propulser des jets de particules qui se déplacent presque à la vitesse de la lumière sur de grandes distances. Les jets du M87 produisent une lumière qui couvre tout le spectre électromagnétique, des ondes radio à la lumière visible et aux rayons gamma. Ce modèle est différent pour chaque trou noir. L’identification de ce modèle fournit des informations cruciales sur les propriétés d’un trou noir (par exemple, son spin et sa production d’énergie), mais cela est difficile car le modèle change avec le temps.
Les scientifiques ont compensé cette variabilité en coordonnant les observations avec bon nombre des télescopes les plus puissants du monde au sol et dans l’espace, collectant la lumière à travers le spectre. Il s’agit de la plus grande campagne d’observation simultanée jamais menée sur un trou noir de jais supermassif.
Professeur McGill Daryl Haggard, avec l’étudiant diplômé Hope Boyce, a aidé à diriger l’acquisition et l’analyse du Radiographie de Chandra données et coordination de la campagne multi-longueurs d’onde. Les données de rayons X, en particulier, sont essentielles pour comprendre la production d’énergie totale du noyau (près du trou noir) et du jet, et pour déterminer si le trou noir est au milieu d’une rafale ou dans un état silencieux. .
“Heureusement, lors de ces observations, le trou noir est relativement calme, ce qui nous permet d’observer des matériaux chauds typiques à proximité du trou noir”, a déclaré Haggard, professeur agrégé au Département de physique et à l’Institut spatial de McGill et occupe le Canada Research Chaire en astrophysique des messagers multiples. «Ces observations nous donnent un premier regard détaillé sur les régions où le jet et la matière chaude près de l’horizon des événements se rejoignent, offrant une idée de la façon dont un jet si énorme (couvrant 1 000 000 années-lumière, oui, c’est un million années-lumière!) à créer par un trou noir dont la taille correspond à celle de notre système solaire (seulement 0,01 année-lumière) ».
Un effort mondial
Les données ont été collectées par une équipe de 760 scientifiques et ingénieurs de près de 200 institutions, couvrant 32 pays ou régions, et utilisant des observatoires financés par des agences et des institutions du monde entier. Les observations ont été concentrées de la fin mars à la mi-avril 2017.
Chaque télescope offre différentes informations sur le comportement et l’impact du trou noir de 6,5 milliards de masse solaire au centre de M87, à environ 55 millions d’années-lumière de la Terre.
Cet ensemble de données simultanées à plusieurs longueurs d’onde donne aux chercheurs un “ instantané ” du trou noir et de son énorme jet au même moment, afin que les scientifiques puissent voir comment l’énergie et le matériau du trou noir et le jet sont liés, sans la confusion introduite par la variabilité. .
“Cet incroyable ensemble d’observations comprend plusieurs des meilleurs télescopes du monde”, a déclaré le co-auteur Juan Carlos Algaba de l’Université de Malaisie à Kuala Lumpur, en Malaisie. “C’est un merveilleux exemple d’astronomes du monde entier travaillant ensemble à la poursuite de la science.”
Améliorer les preuves de la théorie de la relativité d’Einstein
Les premiers résultats montrent que l’intensité de la lumière produite par le matériau autour du trou noir supermassif de M87 était la plus basse jamais vue. Cela a produit les conditions idéales pour voir «l’ombre» du trou noir, en plus de pouvoir isoler la lumière des régions proches de l’horizon des événements de ces dizaines de milliers d’années-lumière du trou noir.
La combinaison des données de ces télescopes et des observations EHT actuelles (et futures) permettra aux scientifiques de mener d’importantes lignes de recherche dans certains des domaines d’étude les plus importants et les plus difficiles de l’astrophysique. Par exemple, les scientifiques prévoient d’utiliser ces données pour améliorer les preuves de la théorie d’Einstein sur la relativité générale. Actuellement, les incertitudes sur le matériau tournant autour du trou noir et jaillissant dans les jets, en particulier les propriétés qui déterminent la lumière émise, représentent un obstacle majeur à ces tests GR.
Jusqu’à présent, toutes les observations de trous noirs ont confirmé le soupçon scientifique que la théorie de la relativité générale (GR) fonctionne dans ce régime de «forte gravité». Para hacer de esto una afirmación aún más fuerte y realmente probar la GR, necesitamos comprender el material caliente cerca del agujero negro y ser expulsado en el chorro, y para hacer esto, los científicos necesitan observaciones de múltiples longitudes de onda como las que se presentan ici.
Comprendre les origines des rayons cosmiques
Une question connexe abordée dans l’étude d’aujourd’hui concerne l’origine des particules énergétiques appelées «rayons cosmiques», qui bombardent continuellement la Terre depuis l’espace. Leurs énergies peuvent être un million de fois plus élevées que celles qui peuvent être produites dans l’accélérateur le plus puissant du monde, le grand collisionneur de hadrons.
On pense que d’énormes jets lancés à partir de trous noirs, tels que ceux montrés dans les images d’aujourd’hui, sont la source la plus probable de rayons cosmiques d’énergie plus élevée, mais il y a de nombreuses questions sur les détails, y compris les emplacements précis où les particules sont situées. . Parce que les rayons cosmiques produisent de la lumière par leurs collisions, les rayons gamma d’énergie plus élevée peuvent localiser cet emplacement, et la nouvelle étude indique que ces rayons gamma ne sont pas susceptibles d’être produits près de l’horizon des événements, du moins pas en 2017. Une clé pour résoudre ce problème La discussion sera la comparaison avec les observations de 2018 et les nouvelles données qui seront collectées cette semaine.
«Comprendre l’accélération des particules est vraiment fondamental pour notre compréhension à la fois de l’image EHT et des jets, dans toutes leurs« couleurs »», a déclaré le co-auteur Sera Markoff de l’Université d’Amsterdam. «Ces jets parviennent à transporter l’énergie libérée par le trou noir à des échelles plus grandes que la galaxie hôte, comme un énorme câble d’alimentation. Nos résultats nous aideront à calculer la quantité d’énergie transportée et l’effet que les jets des trous noirs ont sur leur environnement. “
De nouvelles observations ont lieu maintenant
La publication de ce nouveau trésor de données coïncide avec la course d’observation de l’EHT 2021, qui exploite un éventail mondial d’antennes radio, la première depuis 2018. La campagne de l’année dernière a été annulée en raison de la pandémie COVID-19, et l’année précédente, elle a été suspendue en raison de problèmes techniques imprévus. Récemment, les astronomes de l’EHT ont de nouveau ciblé le trou noir supermassif de M87, celui de notre galaxie (appelé Sagittaire A *), ainsi que plusieurs trous noirs plus éloignés pendant six nuits. Par rapport à 2017, le réseau a été amélioré en ajoutant trois radiotélescopes supplémentaires: le Greenland Telescope, le Kitt Peak Telescope de 12 mètres en Arizona et le NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) en France.
“Avec la publication de ces données, combinée à la reprise de l’observation et à un EHT amélioré, nous savons qu’il y a beaucoup de nouveaux résultats passionnants à l’horizon”, a déclaré le co-auteur Mislav Baloković de l’Université de Yale.
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