Des trous noirs pour tester la relativité générale

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Des chercheurs de l’Institut Périmètre utilisent des mesures effectuées à l’aide du télescope EHT pour mettre à l’épreuve la théorie d’Einstein avec le trou noir supermassif situé au centre de la Voie lactée.

La meilleure façon de savoir si la théorie de la gravitation d’Einstein a des failles, c’est d’examiner attentivement les régions où la gravité est la plus extrême : les trous noirs.

Heureusement, le télescope EHT&(Event Horizon Telescope – télescope horizon des événements), réseau mondial de radiotélescopes, possède une sensibilité et une résolution extraordinaires qui permettent de faire un tel examen.

Une équipe de chercheurs dirigée par Tim Johannsen et Avery Broderick, de l’Institut Périmètre, a proposé une nouvelle manière d’utiliser des observations de Sagittaire A*, le trou noir supermassif situé au centre de notre galaxie, pour déterminer si les prédictions de la relativité générale se réalisent ou non.

La clé de leurs travaux publiés récemment dans Physical Review Letters est une « ombre » du trou noir révélatrice. Elle se détache en silhouette sur fond du matériau brillant surchauffé qui tombe au-delà de l’horizon des événements. Si les prédictions de la relativité générale sont justes, cette ombre devrait avoir une forme presque parfaitement circulaire.

Mais si Einstein s’est trompé et que la théorie de la relativité générale est erronée, l’ombre en question pourrait avoir une forme irrégulière. « Ce serait une preuve flagrante d’une violation de la relativité générale », a déclaré M. Johannsen, postdoctorant à l’Institut Périmètre et à l’Université de Waterloo. « C’est donc cette ombre que nous étudions ici. » [traduction]

En examinant près de sept années d’observations effectuées à l’aide du télescope EHT, les chercheurs ont constaté que la théorie de la relativité générale tient très bien le coup. « Nous avons pu imposer de strictes contraintes sur des différences potentielles par rapport à la relativité générale » [traduction], a dit Tim Johannsen.

Avery Broderick, professeur associé à l’Institut Périmètre et à l’Université de Waterloo, a déclaré que les chercheurs s’attendent à poursuivre ces travaux avec encore plus de précision, alors que le réseau EHT s’enrichira d’autres télescopes au cours de la prochaine année.

« Ces travaux signifient que l’ère de la gravité forte de haute précision vient de commencer » [traduction], a-t-il déclaré.

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The Event Horizon Telescope is a global array of radio telescopes spread across

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the earth. All these telescopes are linked together and that allows us to

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achieve absolutely unprecedented levels of both resolution and sensitivity.

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Despite their enormous masses black holes the ones at the centres of

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galaxies that are a billion times as massive as the Sun are very tiny objects.

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We don't see the black hole directly -- we see the stuff that is surrounding it.

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There's material in the vicinity rushing headlong to fall across the horizon and

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that material shines and silhouetted against that shiny material we see the

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tell-tale sign of a horizon -- a black shadow. In general relativity the shape of

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the shadow is almost always nearly circular. Encoded in that shadow is the

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shape of space-time around black holes. In general relativity

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black holes are very simple objects characterized by only a handful of

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numbers and therefore their shadows are also simple shapes but if general

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relativity was not the right theory of gravity -- if Einstein was wrong -- the

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shadows could be complicated shapes and that is the signal we are going after.

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Our prime target is the supermassive black hole at the center of the Milky

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Way we call it Sagittarius A* or just short SagA*. Sagittarius A*

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is the four million solar mass behemoth at the center of our galaxy and

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that makes it the closest supermassive black hole to Earth.

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it also makes it the optimal target for the Event Horizon Telescope. It has a

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diameter of about 50 micro arcseconds so imagine you were to cut the moon in

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235 million slices then the thickness of one of these slices would be about the

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diameter of the shadow. This is super super tiny and yet we can resolve it. In

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this research we considered what would happen if we squish the space-time say

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instead of a spherical peach maybe it looks more like a pear or a pizza.

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Changing the shape of the space-time changes the shape of the shadow cast by

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the horizon and using seven years of observations

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taken by the Event Horizon Telescope already we can say that general relativity

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does a pretty good job that it really can't look like a banana or pizza it

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could maybe look like a pear.

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however starting in 2017 many more stations will be part of the Event

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Horizon Telescope and the sensitivity and the resolution will increase

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dramatically and instead of telling apart peaches and pears we're going to

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be able to see the hairs on the peach. So we have demonstrated both with existing

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data and with forthcoming data that we are able to place tight constraints on a

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potential deviation from general relativity we're also able to measure

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the spin of Sag A* very precisely as well as its orientation in the sky.

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What this work implies is that the era of high-precision strong gravity

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research has begun, that is with radio telescopes we're going to not only be

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able to watch the exciting dramas of gas and fields accreting onto black

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holes but study the underlying stage set by the space-time itself.

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Institut Périmètre

L’Institut Périmètre de physique théorique est un important centre de recherche scientifique, de formation et de diffusion des connaissances en physique théorique fondamentale. Fondé en 1999 à Waterloo (Ontario), au Canada, il a pour mission de faire progresser notre compréhension de l’univers au niveau le plus fondamental, stimulant les percées qui pourraient transformer notre avenir. De plus, l’Institut Périmètre forme la prochaine génération de physiciens grâce à des programmes innovateurs, et communique aux élèves, aux enseignants et au grand public la passion et les merveilles de la science.

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