La Terre et le Soleil tourneront, et la Voie lactée tournera, alors les trous noirs tourneront-ils ? Ce problème qui préoccupe les physiciens depuis plus de 50 ans a été récemment résolu par une équipe de coopération internationale dirigée par un groupe de scientifiques chinois. Non seulement ils ont calculé que la période de précession des jets de la galaxie M87 est d'environ 11 ans, brisant l'impression précédente selon laquelle la direction des jets M87 était inchangée, mais ils ont également obtenu la preuve la plus puissante de la rotation du trou noir.


Tard dans la nuit du 27 septembre, la principale revue universitaire internationale « Nature » a publié en ligne cette découverte à succès. Dans la simulation d'animation, le trou noir M87 tourne comme une toupie sur le point de s'arrêter, se balançant et tournant dans l'univers profond. Bien que tout cela semble n'avoir rien à voir avec les nécessités fondamentales actuelles des humains, peut-être que les humains se souviendront de ce moment lors de leurs voyages interstellaires à l'avenir.

Plusieurs données « anormales » déclenchent une inspiration d'exploration

Dans le vaste univers, il existe des trous noirs supermassifs au centre des galaxies actives. Ce mystérieux corps céleste prédit par Einstein il y a près de cent ans a finalement été photographié en silhouette pour la première fois en 2019.

La masse et la rotation sont les deux paramètres fondamentaux d’un trou noir. Il existe actuellement des méthodes éprouvées pour estimer la masse des trous noirs, mais la rotation des trous noirs reste un mystère.

En 1963, les astronomes ont prouvé théoriquement l’existence du spin des trous noirs. La découverte des ondes gravitationnelles en 2016 a fourni une preuve indirecte de la « rotation des trous noirs » : lorsque deux trous noirs tournent et fusionnent, ils entraînent l'espace et le temps environnants, provoquant des « ondulations spatio-temporelles » des ondes gravitationnelles.

Alors, comment pouvons-nous obtenir une preuve plus directe de la rotation d’un trou noir ? En 2017, alors que Cui Yuzhu, qui étudiait pour un doctorat à l'Observatoire astronomique national du Japon/Université supérieure du Japon, traitait les données de jet du réseau d'observation VLBI (Very Long Baseline Interference) d'Asie de l'Est sur le trou noir central de la galaxie M87, il a découvert que la structure du jet de M87 en 2017 pointait dans une direction différente de la structure précédente.


▲ La structure du jet M87 a fusionné tous les deux ans de 2013 à 2020 (la bande de fréquence d'observation est de 43 GHz). L'année correspondante est affichée dans le coin supérieur gauche. Les flèches blanches indiquent la direction de l'axe du jet dans chaque sous-figure (représentant différents angles de position du jet). (YuzhuCuietal.2023)

Lorsque le matériau autour du trou noir est aspiré par le trou noir, il émet une lumière extrêmement brillante et ressemble à un disque plat brillant, appelé disque d'accrétion. Une fois la matière aspirée dans le trou noir, l’énorme moment cinétique qu’elle transporte est finalement éjecté hors du trou noir sous la forme d’un jet. Cela fait ressembler les trous noirs, les disques d’accrétion et les jets à des sommets cosmiques géants.

"Le jet du trou noir de M87 est très brillant et mesure 5 000 années-lumière. Dans le passé, tout le monde pensait que l'angle de son jet était constant." Cui Yuzhu a déclaré, mais plusieurs données montrent que l'angle du jet est en réalité différent de ce qui était connu auparavant.

"Est-ce une erreur d'observation, ou cela signifie-t-il que le jet tourne ?" Avec cette question, Cui Yuzhu a interrogé environ 170 données d'observation du trou noir M87 du réseau international d'observation VLBI de 2000 à 2022, et a constaté que son angle change effectivement.

En conséquence, plus de 70 collègues de 45 institutions dans 10 pays à travers le monde ont travaillé avec Cui Yuzhu pour organiser, analyser et simuler des données pertinentes. Après six années de travail acharné, ils ont finalement déterminé que le jet M87 devait tourner autour d'un « axe invisible » avec une période d'environ 11 ans. Le trou noir au centre de M87 devrait être dans un état de rotation.

Lin Weikang, chercheur associé à l'Institut d'astronomie du sud-ouest de la Chine à l'Université du Yunnan, a déclaré que grâce à l'ajustement des données informatiques, les changements périodiques dans la direction du jet sont très cohérents avec l'axe de rotation du trou noir. "Cela prouve directement l'existence de la rotation du trou noir."

Des décennies d’observations VLBI ont permis d’accumuler des connaissances

Dans l’univers connu des humains, M87 est une galaxie étoilée. Il est grand, avec une masse d'environ 6,5 milliards de fois celle du soleil ; il est proche de la Terre, à seulement 55 millions d’années-lumière, ce qui en fait l’un des meilleurs objets à observer pour les astronomes. Dès 1918, les hommes ont découvert le jet de M87, devenant ainsi le premier corps céleste de l'univers à découvrir un jet.

Depuis, le jet M87 est devenu l’objet d’observation des principaux radiotélescopes de la Terre. Surtout après que le réseau mondial de radiotélescopes a établi le réseau d'observation VLBI, la précision des données d'observation du M87 a continué de s'améliorer. Les données utilisées dans cette étude ont la plus grande période de temps et la plus grande quantité de données dans le réseau d'observation VLBI.


▲Répartition des télescopes participant à cet article dans le réseau d'observation EATING composé du réseau VLBI d'Asie de l'Est et des radiotélescopes italo-russes (YuzhuCuietal.2023, IntouchableLab@Openverse et Zhijiang Laboratory)

"Les données clés découvertes cette fois ont principalement bénéficié de l'amélioration de la précision du réseau VLBI d'Asie de l'Est, et le télescope Tianma à Sheshan, Shanghai, et le radiotélescope de 26 mètres à Nanshan, Xinjiang ont contribué aux principales données." Cui Yuzhu a déclaré aux journalistes qu'un total de 26 collègues nationaux avaient participé à cette recherche.

Dès 1986, l'Observatoire de Shanghai a construit le radiotélescope Sheshan de 25 mètres, est devenu membre du consortium du réseau européen VLBI en 1991 et a participé aux observations du réseau international VLBI en 1998. En 2017, le télescope Tianma de 65 mètres a été achevé et a rejoint le réseau international VLBI. Shen Zhiqiang, directeur de l'Observatoire de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences, a déclaré qu'en raison de la haute sensibilité du télescope Tianma, les capacités d'observation de l'ensemble du réseau ont été améliorées, « en particulier la qualité de l'imagerie du réseau d'observation VLBI d'Asie de l'Est a été améliorée d'environ 50 % ».

Le télescope Nanshan de l'Observatoire du Xinjiang a étendu le diamètre du réseau d'observation VLBI d'Asie de l'Est de 3 000 kilomètres à 5 000 kilomètres en raison de sa situation géographique unique. Cui Lang, chercheur à l'Observatoire du Xinjiang de l'Académie chinoise des sciences, a déclaré que ce radiotélescope de 26 mètres de diamètre avait rejoint le réseau VLBI d'Asie de l'Est en 2017 et consacrait 300 heures à des observations pertinentes chaque année.

Il y a à peine deux semaines, la construction du radiotélescope Xigaze de 40 mètres de l'Observatoire de Shanghai a commencé, et le radiotélescope Qitai de 110 mètres de l'Observatoire du Xinjiang est également en construction. Shen Zhiqiang a déclaré : « À l'avenir, l'ajout de ces étoiles montantes améliorera encore les capacités d'observation et aidera les astronomes à découvrir davantage de mystères de l'univers.

Une nouvelle étape dans la recherche approfondie sur le spin des trous noirs

Dans le passé, les observations du jet M87 effectuées tout au long de l'année par le VLBA (Very Long Baseline Array) américain ont aidé tout le monde à comprendre de nombreuses propriétés physiques du M87. Ils pensaient en savoir assez sur M87, ils ont donc progressivement annulé le temps d'observation et se sont tournés vers d'autres cibles d'observation. La découverte des scientifiques chinois les a incités à reprendre leur plan de surveillance à long terme du jet M87.

Dans l'animation de simulation, en supposant que la direction de rotation du trou noir M87 est perpendiculaire au sol, son disque d'accrétion est comme un gyroscope qui forme un certain angle avec le sol, et l'axe du gyroscope tremblant est un jet de 5 000 années-lumière de long. Cependant, contrairement à un gyroscope, le centre de mouvement d’un disque d’accrétion est le trou noir situé en son centre.

"C'est un résultat très beau et propre, et c'est aussi une découverte très fondamentale et importante." Lai Dong, professeur à l'Université Cornell aux États-Unis et professeur invité Tsung-Dao à l'Institut Tsung-Dao Lee de l'Université Jiao Tong de Shanghai, a mentionné que l'Italie et les États-Unis avaient lancé des satellites pour détecter spécifiquement l'effet de traînée spatio-temporelle des corps célestes, mais sans succès. "Cette preuve de l'existence du spin du trou noir apportera une impulsion substantielle à la recherche sur cet effet."

Aujourd'hui, Cui Yuzhu est chercheur postdoctoral au laboratoire Zhijiang. Elle a déclaré qu'après avoir obtenu les preuves les plus puissantes de la rotation du trou noir, il reste encore une série de questions qui nécessitent une étude plus approfondie : quelle est la vitesse de rotation du trou noir M87 ? La rotation du trou noir est-elle universelle ? D’où vient la force externe qui fait tourner le trou noir ? De plus, la rotation est probablement la clé de la génération de jets de trous noirs. Cela apportera-t-il donc une nouvelle perspective à l’étude du mécanisme des jets de matériaux des trous noirs ? Tout cela attend qu’elle et ses nombreux collègues trouvent des réponses.