Un trou noir vu à travers des lunettes polarisées express
Un trou noir n'est pas simplement une silhouette sombre sur fond d'étoiles. Son ombre est entourée d'un fin anneau lumineux de photons qui tournent autour de l'horizon des événements avant de s'échapper vers l'observateur. En général, cette image ne dépend pas de la polarisation de la lumière — c'est-à-dire de la direction dans laquelle oscille le champ électrique de l'onde.
Mais tout change si les photons ressentent non seulement la gravité, mais aussi directement la courbure de l'espace-temps. Un tel couplage particulier — appelé couplage au tenseur de Weyl — transforme l'espace autour du trou noir en une sorte de cristal biréfringent. La lumière d'une polarisation contourne le trou par un arc plus large, l'autre par un arc plus étroit. L'ombre se scinde : au lieu d'une seule tache sombre, on en voit deux, imbriquées l'une dans l'autre. Leurs bords peuvent s'écarter de plus de la moitié du rayon.
Les auteurs de l'étude ont calculé l'ensemble complet des signaux observables : de l'absorption et de la diffusion des ondes à la structure fine des anneaux photoniques. Ils ont vérifié leurs calculs par trois méthodes indépendantes. Le signe le plus fiable de l'effet est la lumière réfléchie exactement en arrière. Dans la théorie standard, un tel rayon n'existe pas, mais ici il apparaît et ne dépend pas de l'orientation de la polarisation. Ce « rayon retour » pourrait devenir la clé pour chercher une nouvelle physique dans les futures observations de l'horizon des événements.
La biréfringence est une propriété de certains cristaux, comme la calcite, à travers laquelle une inscription est vue deux fois. Autour d'un trou noir, cet effet est créé par la gravité elle-même, si les photons y sont couplés d'une manière particulière.
Dans le film « Interstellar », l'ombre du trou noir Gargantua a été calculée en tenant compte de la rotation, mais le dédoublement par polarisation pourrait ajouter un second anneau décalé.