Le cœur du trou noir bat de façon irrégulière. Un battement est plus lumineux, le suivant plus terne, et ce rythme encode la température des électrons qui tourbillonnent tout près de l'horizon. Les astronomes appellent ce rythme l'indice spectral : un nombre qui indique de combien de fois la luminosité change lorsqu'on passe d'une fréquence d'ondes radio à une autre. Pour M87*, le trou noir au centre de la galaxie de la Vierge, ce nombre ne tient pas en place.
Pour entendre ce pouls, les scientifiques ont construit un télescope virtuel. Ils ont pris des modèles informatiques du disque, où le champ magnétique retient fermement le plasma, et les ont fait tourner cinq fois : avec une rotation différente du trou noir lui-même. Pour chaque variante, ils ont produit 500 clichés instantanés, puis calculé à quoi ressemblerait chaque cliché sur six fréquences : de 86 à 345 gigahertz. Au total, cela a donné 240 000 images. Sur chacune, ils ont mesuré l'indice spectral en chaque point, puis ont observé comment il oscille d'une image à l'autre.
L'oscillation s'est révélée différente selon les modèles. Si les électrons du disque sont froids et les protons chauds, l'indice spectral saute fortement : le toit se dresse puis s'aplatit presque. Si les électrons sont chauds, l'oscillation est plus faible. Et si les électrons comportent une « queue » de particules très rapides, comme dans une distribution en loi de puissance, l'oscillation s'arrête presque : la queue maintient la pente du toit, comme un hauban maintient un mât.
L'anneau photonique est particulièrement intéressant : un fin cercle lumineux que la lumière dessine autour de l'ombre du trou noir, après l'avoir contourné en chemin. Là, l'indice spectral est souvent proche de zéro, voire positif : plus la fréquence est élevée, plus c'est lumineux. À l'extérieur de l'anneau, l'indice devient négatif. La transition est brutale, comme la frontière entre le feu et la fumée.
La vérification par rapport aux observations réelles de 2018 a déjà écarté plusieurs modèles. Par exemple, un trou noir en rotation rapide avec des électrons froids et un fort chauffage des protons ne convenait pas : son image était trop petite. Et à l'avenir, il y a la campagne cinématographique du Télescope de l'horizon des événements en 2026. Pour la première fois, on filmera comment le trou noir change dans le temps sur plusieurs fréquences simultanément. L'amplitude de l'oscillation de l'indice spectral permettra de distinguer les modèles thermiques des non thermiques, et donc de plonger dans la microphysique du plasma tout près de l'horizon.
Le cœur du trou noir bat dans chaque image. Il ne reste plus qu'à apprendre à lire l'électrocardiogramme.
L'anneau photonique de M87* a un indice spectral proche de zéro, tandis que les régions externes peuvent atteindre -3, ce qui signifie un changement brutal des propriétés du rayonnement sur une échelle de quelques rayons gravitationnels seulement.