De nouvelles recherches suggèrent que les futures images à haute résolution des trous noirs pourraient enfin déterminer si la théorie de la gravité d’Albert Einstein, la relativité générale, décrit avec précision ces objets cosmiques – ou si des théories alternatives sont nécessaires. Le télescope Event Horizon (EHT), qui a capturé les toutes premières images de trous noirs en 2019 et 2022, a ouvert une nouvelle ère d’astrophysique observationnelle. Mais même si ces images confirment de nombreuses prédictions de la relativité générale, elles soulèvent également la possibilité de détecter de subtiles déviations qui pourraient ouvrir la voie à une compréhension plus complète de la gravité.
L’Ombre du doute
L’EHT n’image pas directement les trous noirs eux-mêmes. Au lieu de cela, il capture la lueur intense de la matière surchauffée tourbillonnant autour de ces objets, créant une « ombre » sombre qui délimite l’horizon des événements – le point de non-retour où la gravité devient inéluctable. La dernière étude suggère qu’une analyse détaillée de ces ombres pourrait révéler de minuscules écarts par rapport aux prédictions d’Einstein.
“Nous avons développé un moyen de comparer les images de gaz chauds autour des trous noirs prédites par la relativité générale avec celles prédites par des théories alternatives”, explique Akhil Uniyal de l’Université Jiao Tong de Shanghai, auteur principal de la recherche. “Des simulations réalistes montrent que même de petites différences dans la gravité sous-jacente deviendront détectables à mesure que la résolution de l’imagerie s’améliore.”
L’héritage d’Einstein : l’espace-temps déformé
La théorie de la relativité générale d’Einstein, publiée en 1915, a révolutionné notre compréhension de la gravité. Contrairement à la vision de Newton de la gravité en tant que force, Einstein a proposé que les objets massifs déforment le tissu de l’espace et du temps, créant les effets gravitationnels que nous observons. Cette déformation devient extrême à proximité des trous noirs, où la gravité est si forte que même la lumière ne peut s’échapper.
Le concept de trou noir est né des équations d’Einstein en 1916, grâce aux travaux de Karl Schwarzschild. Ces solutions ont révélé qu’au cœur d’un trou noir se trouve une singularité – un point où les lois de la physique s’effondrent. Autour de la singularité se trouve l’horizon des événements, la limite au-delà de laquelle rien ne peut s’échapper.
Au-delà d’Einstein : la recherche d’alternatives
Bien que la relativité générale ait passé d’innombrables tests, les scientifiques spéculent depuis longtemps qu’elle ne constitue peut-être pas une histoire complète. Certaines théories alternatives proposent que les trous noirs pourraient ne pas avoir de singularités ou qu’ils pourraient être décrits par une physique plus complexe. Ces théories font souvent appel à des éléments exotiques ou à des violations de lois connues.
“D’une manière générale, il existe les trous noirs rotatifs standards décrits par la relativité générale, puis une variété d’alternatives motivées par différentes théories”, explique Uniyal. “Toutes ces alternatives sont plus complexes que celles proposées par Einstein, mais restent théoriquement viables jusqu’à leur réfutation.”
Comment les ombres révèlent la vérité
La clé pour tester ces alternatives réside dans la mesure précise des ombres des trous noirs. De petites déviations dans la gravité sous-jacente se traduiront par des changements subtils dans la taille et la forme de l’ombre, ainsi que dans la façon dont la lumière se courbe autour du trou noir.
“L’ombre du trou noir code la géométrie espace-temps très proche de l’objet compact”, explique Uniyal. “De petits écarts métriques se traduisent par de petits changements systématiques dans la taille et la forme de l’ombre et dans la façon dont les anneaux de lumière se forment autour d’elle.”
L’étude démontre que même si les différences entre la relativité générale et les théories alternatives sont minimes, elles deviendront détectables à mesure que la résolution de l’imagerie s’améliore. Les chercheurs ont même quantifié ces différences, fournissant ainsi des objectifs concrets aux futurs observatoires.
L’avenir de l’imagerie des trous noirs
Les prochaines étapes consistent à améliorer la qualité de l’imagerie des trous noirs en ajoutant davantage de télescopes au réseau EHT et en explorant l’interférométrie spatiale. À mesure que la résolution augmente, la capacité à faire la distinction entre la relativité générale et les théories alternatives se renforcera.
“Nos résultats montrent que quels que soient les trous noirs considérés, les différences seront faibles et des mesures très précises sont donc nécessaires”, explique Uniyal. “Heureusement, ces observations seront possibles dans un avenir pas trop lointain.”
Cette recherche met en évidence le pouvoir de l’astrophysique observationnelle pour tester les théories fondamentales de la physique. À mesure que l’imagerie des trous noirs continue de progresser, nous aurons peut-être bientôt une réponse définitive quant à savoir si la théorie d’Einstein reste la description ultime de la gravité.
