Au centre de la galaxie M87, à 55 millions d'années-lumière de nous, se cache un trou noir d'une masse équivalente à 6,5 milliards de Soleils. En 2019, le télescope Event Horizon Telescope (EHT) en a montré pour la première fois le portrait : un beignet orange avec un cœur sombre. Mais ce beignet n'est pas l'abîme lui-même. C'est du gaz incandescent, chauffé à des milliards de degrés, qui tourbillonne avant de disparaître à jamais. La véritable ombre, elle, est légèrement plus petite que l'anneau, et sa taille est encodée dans le rayonnement.
Les astrophysiciens ont construit des milliers de simulations informatiques de disques d'accrétion — avec des rotations variées, des champs magnétiques différents, et des inclinaisons diverses par rapport à l'observateur. Chaque simulation produisait son propre anneau et sa propre ombre. En les comparant, les auteurs ont établi une courbe d'étalonnage : comment, à partir de l'anneau mesuré, retrouver la taille réelle de l'ombre. Il s'avère que l'incertitude peut être réduite de plusieurs fois si l'on observe à la fréquence de 345 GHz (presque le double de la fréquence actuelle), si l'on utilise les contraintes géométriques de l'algorithme PRIMO, et si l'on tient compte du fait que l'axe de rotation du trou noir de M87 est presque aligné avec la direction du jet géant — un jet de plasma long de milliers d'années-lumière.
L'outil le plus inattendu de ce travail est le « filtrage par délai temporel ». On ne mesure pas seulement la taille de l'anneau, mais aussi la stabilité de cette taille d'une image à l'autre. Les tremblements de l'anneau révèlent la turbulence du gaz, tandis que sa stabilité trahit la géométrie du trou noir lui-même. Selon les calculs des auteurs, cette approche pourrait rendre l'étalonnage encore plus précis à chaque nouvelle session d'observations de l'EHT.
Lorsque la masse du trou noir est connue par d'autres mesures, la relation « anneau-ombre » affinée devient un test de la relativité générale. Si l'ombre ne se trouve pas là où elle est prédite, cela signifierait que la gravité près de l'horizon des événements se comporte autrement que prévu. Jusqu'ici, tous les tests confirment Einstein, mais la précision augmente, et chaque nouvelle image est un pas de plus vers la détection d'un écart, s'il existe.
L'ombre d'un trou noir est environ 2,6 fois plus grande que l'horizon des événements — en raison de la forte courbure des rayons lumineux par la gravité.
Dans le film « Interstellar », la visualisation du trou noir Gargantua repose sur des calculs réalistes de courbure de la lumière, et son anneau lumineux ressemble beaucoup aux images de l'EHT.