Les trous noirs sont des objets compacts célèbres où les trajectoires de la lumière sont radicalement courbées par la courbure de l’espace-temps. Alors que la lumière elle-même ne peut pas s’échapper de la masse centrale à l’horizon des événements, à des distances plus grandes, la lumière peut tourner autour du trou noir. Ce phénomène peut permettre à un observateur distant de voir plusieurs versions d’un même objet. Bien que ce phénomène soit connu depuis des années, ce n’est que maintenant que les physiciens théoriques disposent d’une solution mathématique exacte.
Depuis n’importe quel endroit à l’extérieur de l’horizon des événements d’un trou noir, il existe un nombre infini de trajectoires pour la lumière vers un observateur ; chacune de ces trajectoires diffère par le nombre d’orbites tournées autour du trou noir et par leur proximité avec la dernière orbite du photon. Crédit image : Sci-News.com / Zdeněk Bardon / ESO.
“Une galaxie lointaine brille dans toutes les directions – une partie de sa lumière s’approche du trou noir et est légèrement déviée ; une autre partie de la lumière s’approche encore plus et fait le tour du trou une seule fois avant de s’échapper jusqu’à nous, et ainsi de suite”, a déclaré Albert Sneppen, étudiant au Cosmic Dawn Center et à l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague.
“En regardant près du trou noir, nous voyons de plus en plus de versions de la même galaxie, plus nous nous rapprochons du bord du trou”.
“A quelle distance du trou noir faut-il regarder d’une image pour voir l’image suivante ? Le résultat est connu depuis plus de quatre décennies, et est d’environ 500 fois.”
“Le calcul de ce facteur est si compliqué que, jusqu’à récemment, nous n’avions pas encore développé d’intuition mathématique et physique sur la raison pour laquelle il se trouve être ce facteur exact.”
Avec une solution numérique simple et une solution analytique perturbée, Sneppen a réussi à prouver pourquoi.
“Il y a quelque chose de fantastiquement beau à comprendre maintenant pourquoi les images se répètent d’une manière si élégante”, a-t-il déclaré.
“En plus de cela, cela fournit de nouvelles opportunités pour tester notre compréhension de la gravité et des trous noirs”.
La lumière de la galaxie d’arrière-plan tourne autour d’un trou noir un nombre croissant de fois, plus elle passe près du trou, et un observateur voit donc la même galaxie dans plusieurs directions. Crédit image : Peter Laursen.
La nouvelle méthode peut également être généralisée aux trous noirs en rotation.
“Il s’avère que lorsque le trou noir tourne très vite, il ne faut plus se rapprocher de lui par un facteur 500, mais beaucoup moins”, a déclaré Sneppen.
“En fait, chaque image n’est plus que 50, ou 5, ou même jusqu’à seulement deux fois plus proche du bord du trou noir”.
Le fait de devoir regarder 500 fois plus près du trou noir pour chaque nouvelle image, signifie que les images sont rapidement “écrasées” en une seule image.
“En pratique, les nombreuses images seront difficiles à observer”, a-t-il ajouté.
“Mais lorsque les trous noirs tournent, il y a plus de place pour les images supplémentaires, nous pouvons donc espérer confirmer la théorie par l’observation dans un avenir pas trop lointain.”
“De cette façon, nous pouvons apprendre non seulement sur les trous noirs, mais aussi sur les galaxies qui se trouvent derrière eux.”
“Le temps de parcours de la lumière augmente, plus elle doit faire le tour du trou noir, donc les images sont de plus en plus retardées.”
“Si, par exemple, une étoile explose en supernova dans une galaxie d’arrière-plan, on pourra voir cette explosion à plusieurs reprises.”
L’étude a été publiée dans la revue Scientific Reports.
