Pour la première fois, on a vu de la lumière émise derrière un trou noir

C’est une observation spectaculaire, qui implique l’un des objets les plus fascinants de tout l’univers. Dans la revue scientifique de référence Nature, une équipe de scientifiques a rapporté le 28 juillet une détection impressionnante : les tout premiers enregistrements de rayons X émis derrière un trou noir (derrière la « face » que nous ne pouvons pas voir). La découverte a également été relayée dans un communiqué de l’Agence spatiale européenne (Esa).

« Nous rapportons ici des observations d’éruptions de rayons X émises autour du trou noir supermassif dans I Zw 1 », peut-on lire dans l’étude. Les scientifiques s’intéressent à un trou noir supermassif, qui représente 10 millions de fois la masse du Soleil, et dont le diamètre est estimé à 30 millions de kilomètres. Il se trouve au centre d’une galaxie spirale, baptisée I Zwicky 1 (et dont le nom est abrégé en I Zw 1), qui se trouve à 800 millions d’années-lumière de nous.

Une gravité extrême qui courbe la lumière

Ces éruptions brillantes de rayons X ont pu être observées à l’aide de deux observatoires spatiaux, le télescope XMM-Newton de l’Esa et le télescope NuSTAR de la Nasa, au mois de janvier 2020. Comme l’indique l’Esa, les astronomes ne pensaient rien voir émerger derrière le trou noir, puisqu’aucune lumière ne peut s’échapper de ce type d’objet céleste. Néanmoins, sous l’effet de la gravité extrême du trou noir, qui déforme l’espace autour de lui, cette lumière a été courbée autour du trou noir, permettant aux deux télescopes de la détecter.

Pour aller plus loin

Admirez la danse hypnotisante de deux trous noirs dans cette animation de la Nasa

Animation des rayons X émis depuis l'arrière du trou noir.

Source : ESA

Au départ, l’objectif des scientifiques était de mieux comprendre la « couronne » du trou noir, une structure de 60 millions de kilomètres au-dessus du trou noir, d’où proviennent ces rayons X lumineux. « Les régions les plus internes des disques d’accrétion [ndlr : la matière en orbite autour du trou noir] autour des trous noirs sont fortement irradiées par des rayons X émis par une couronne compacte très variable, à proximité immédiate du trou noir », écrivent les auteurs. La couronne semble être produite par cette matière tombant en continu dans le trou noir, dans le disque d’accrétion.

Le processus auquel les scientifiques ont assisté peut être décrit étape par étape :

• La matière tombe dans le trou noir dans un disque d’accrétion très chaud,
• Des éruptions brillantes de rayons X sont produites par la couronne du trou noir,
• Les rayons X sont réfléchis par le disque d’accrétion,
• Les télescopes ont enregistré des éruptions plus faibles : ce sont les rayons X qui ont « rebondi » sur le gaz situé derrière le trou noir, et qui ont été courbés autour du trou noir du fait de la gravité.

En rose, la lumière émise derrière le trou noir, qui a pu être détectée.

Source : ESA (annotations Numerama)

Des photons courbés autour du trou noir

« Ce sont des photons qui se réverbèrent de l’autre côté du disque, et sont courbés autour du trou noir et amplifiés par le fort champ gravitationnel, résument les auteurs de l’étude. L’observation de photons courbés autour du trou noir confirme une prédiction clé de la relativité générale. » Ces observations vont effectivement dans le sens des prédictions d’Einstein, sur la manière dont la gravité peut courber la lumière autour des trous noirs.

Une énigme reste néanmoins à résoudre : il faudrait encore parvenir à expliquer comment la couronne est capable d’émettre des rayons X aussi brillants.

Pour aller plus loin

Et s’il n’y avait pas de trou noir au centre de la Voie lactée ?