Les trous noirs sont connus pour être des objets compacts où les chemins de la lumière sont considérablement courbés 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 éloignées, la lumière peut orbiter autour du trou noir. Ce phénomène peut permettre à un observateur distant de voir plusieurs versions du même objet. Bien que cela soit connu depuis des années, ce n’est que maintenant que les physiciens théoriques ont une solution mathématique exacte.
De n’importe quel endroit en dehors de l’horizon des événements d’un trou noir, il existe un nombre infini de trajectoires pour la lumière vers un observateur ; chacun de ces chemins 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 partie de la lumière s’approche encore plus et contourne le 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.”
« À quelle distance du trou noir devez-vous regarder d’une image pour voir l’image suivante ? Le résultat est connu depuis plus de quatre décennies et est environ 500 fois. »
“Calculer ceci est si compliqué que, jusqu’à récemment, nous n’avions pas encore développé d’intuition mathématique et physique quant à la raison pour laquelle il s’agit de 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, il offre de nouvelles opportunités pour tester notre compréhension de la gravité et des trous noirs.”
La lumière de la galaxie d’arrière-plan fait le tour 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 à la filature de trous noirs.
“Il s’avère que lorsque le trou noir tourne très vite, vous n’avez plus besoin de vous en approcher d’un facteur 500, mais beaucoup moins”, a déclaré Sneppen.
“En fait, chaque image n’est plus que 50, ou 5, ou même jusqu’à deux fois plus près 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 « compressées » en une seule image.
« Dans la pratique, les nombreuses images seront difficiles à observer », a-t-il déclaré.
“Mais lorsque les trous noirs tournent, il y a plus de place pour les images supplémentaires, nous pouvons donc espérer confirmer la théorie par observation dans un avenir pas si lointain.”
« De cette façon, nous pouvons en apprendre davantage sur les trous noirs, mais aussi sur les galaxies qui se cachent derrière eux. »
“Le temps de trajet 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 en arrière-plan, on pourrait voir cette explosion encore et encore. »
L’étude a été publiée dans la revue Rapports scientifiques.
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A. Sneppen. 2021. Réflexions divergentes autour de la sphère photonique d’un trou noir. Représentant scientifique 11, 14247; doi: 10.1038/s41598-021-93595-w
