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L'anneau de lumière autour du trou noir M87* tremble de manière irrégulière — et ce tremblement révèle la vitesse de rotation du trou noir.
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En 2019, les astronomes ont dévoilé la première image de l'ombre d'un trou noir : un puits sombre entouré d'un anneau orange irrégulier. Il s'agit du trou noir supermassif au centre de la galaxie M87, à 55 millions d'années-lumière de nous. L'anneau n'est pas seulement lumineux : un de ses côtés est nettement plus brillant que l'autre. Comme un feu de camp qui brûle de manière inégale — d'un côté, la flamme est plus haute.
Cette irrégularité n'est pas un défaut aléatoire de l'image. La lumière provient du gaz brûlant qui tourbillonne autour du trou noir avant d'y tomber. Le gaz se déplace à une vitesse énorme, et la partie qui se dirige vers nous semble plus brillante. Mais la luminosité varie d'une image à l'autre — le gaz bouillonne comme l'eau dans une casserole qui bout. Les scientifiques ont pris trois images de M87*, prises à différentes années, et les ont comparées à des milliers de modèles informatiques. Dans les modèles, un paramètre variait : la vitesse de rotation du trou noir lui-même.
Le trou noir M87* pèse l'équivalent de 6,5 milliards de Soleils, et son ombre dans le ciel a la taille d'une balle de tennis vue de la Terre sur la Lune.
Il s'est avéré qu'une rotation très lente explique mal ce que nous voyons. Un trou noir trop faible ne pourrait pas accélérer autant le gaz et rendre un côté de l'anneau constamment plus brillant. Les modèles où le trou noir tourne rapidement correspondent le mieux aux images. Cela concorde avec le fait que M87 émet un jet de plasma géant long de milliers d'années-lumière — de tels jets, selon les calculs, sont lancés par la rotation du trou noir.
Les observations futures permettront de préciser à quelle vitesse il tourne. C'est important non seulement pour l'astrophysique : de la vitesse de rotation dépend la façon dont le trou noir a grandi — s'il a absorbé la matière de manière chaotique ou proprement, en spirale. L'ombre du trou noir, comme l'aiguille d'un compteur de vitesse, révèle la mécanique cachée.
Event Horizon Telescope (EHT) images of the supermassive black hole M87* depict an asymmetric ring of emission. General relativistic magnetohydrodynamic (GRMHD) models of M87* and its accretion disk predict that the amplitude and location of the ring's peak brightness asymmetry should fluctuate due to turbulence in the source plasma. We compare the observed distribution of brightness asymmetry amplitudes to the simulated distribution in GRMHD models, across varying black hole spin $$a_{*}$$. We show that, for strongly magnetized (MAD) models, three epochs of EHT data marginally disfavor $$|a_{*}| \lesssim 0.2$$. This is consistent with the Blandford-Znajek model for M87's jet, which predicts that M87* should have nonzero spin. We show quantitatively how future observations could improve spin constraints, and discuss how improved spin constraints could distinguish between differing jet-launching mechanisms and black hole growth scenarios.
Le trou noir M87* est si massif que son ombre est visible depuis la Terre, alors que le trou noir lui-même se trouve à 55 millions d'années-lumière — comme si l'on pouvait distinguer une pièce de monnaie sur la Lune.
Dans le film « Interstellar », le trou noir Gargantua est représenté avec un anneau lumineux irrégulier à cause de la rotation — exactement ce que l'on a observé pour M87*.
