Les scientifiques ont capturé pour la première fois des preuves claires de l'existence d'un vortex spatio-temporel, un phénomène prédit par Einstein il y a plus d'un siècle mais qui n'a pas été directement observé jusqu'à présent. L'étude, publiée dans la revue Science Advances, montre que les trous noirs peuvent déformer le tissu de l'espace-temps lui-même, envoyant la matière proche dans un mouvement bancal.
Cet effet est connu sous le nom de précession de Reims-Teering ou traînée de trame. Ce phénomène se produit lorsqu’un trou noir en rotation rapide entraîne avec lui l’espace-temps environnant, un peu comme une toupie créant un vortex dans l’eau. Le phénomène découle de la théorie de la relativité d'Einstein, qui décrit la gravité comme la courbure de l'espace-temps causée par la masse et l'énergie, plutôt que par une simple attraction.
Une équipe de recherche dirigée par l’Observatoire astronomique national de Chine et soutenue par l’Université de Cardiff a étudié un événement de perturbation des marées nommé AT2020afhd. Un événement de perturbation des marées se produit lorsqu’une étoile s’approche trop près d’un trou noir et que la puissante gravité la déchire. Dans cet événement, une étoile a été détruite par un trou noir supermassif, qui est des millions ou des milliards de fois plus massif que le Soleil et est généralement situé au centre d’une galaxie. Les restes de l'étoile forment un disque d'accrétion, une structure rotative composée de gaz extrêmement chauds et de débris qui spirale vers l'intérieur sous l'influence de la gravité. Dans le même temps, de puissants jets de plasma et de particules à haute énergie sont éjectés vers l’extérieur à une vitesse proche de celle de la lumière.
En suivant les changements dans les rayons X et les signaux radio, les chercheurs ont remarqué que le disque d'accrétion et le jet se balançaient ensemble selon un cycle d'environ 20 jours. Les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques de haute énergie produits par des matériaux extrêmement chauds à proximité des trous noirs, tandis que les signaux radio sont des rayonnements à ondes longues utilisés par les astronomes pour étudier les jets, les champs magnétiques et les particules de haute énergie. Ce mouvement synchronisé est exactement ce que prédit la théorie, mais n’a jamais été confirmé avec autant de détails auparavant.
Le co-auteur, le Dr Cosimo Incella de l'Université de Cardiff, a expliqué que l'étude montre la preuve la plus convaincante à ce jour de la précession de Reims-Teering, où un trou noir traîne dans l'espace-temps de la même manière qu'une toupie pourrait traîner sur l'eau environnante pour former un vortex.
La recherche ajoute un contexte scientifique important. La théorie et les simulations montrent depuis longtemps que la courbure extrême de l’espace-temps à proximité des trous noirs courbe les trajectoires de la lumière et de la matière, créant des effets de disque d’accrétion et de précession de jet sous l’influence de fortes forces relativistes. Ces effets deviennent significatifs lorsque la gravité est forte ou lorsque la matière se rapproche de la vitesse de la lumière. Ce qui rend ce cas particulièrement remarquable, ce sont les preuves observationnelles claires. L’équipe de recherche a signalé une variation quasi-périodique de 19,6 jours des signaux radiologiques et radiologiques, un cycle répétitif mais pas entièrement régulier dans lequel les amplitudes des rayons X sont plus de dix fois supérieures à la normale. Les changements presque simultanés suggèrent un mécanisme commun contrôlant les deux régions productrices de rayonnements.
Le modèle de précession Lance-Teering à jet de disque d'accrétion a été capable de reproduire ces changements, et les données ont montré que le trou noir impliqué était du type à faible spin, ce qui signifie qu'il tournait plus lentement que les trous noirs à rotation rapide prédits par de nombreux modèles relativistes. L’étude a également découvert des changements radio à court terme lors d’événements de perturbation des marées, un phénomène qui n’avait jamais été observé auparavant. Les chercheurs affirment que cela met en évidence l’importance de la surveillance radio haute fréquence, où les observations sont répétées fréquemment sur de courts intervalles de temps, ce qui pourrait en révéler davantage sur la façon dont les trous noirs façonnent leur environnement.
La découverte a confirmé une prédiction faite par Albert Einstein en 1913 et définie plus tard mathématiquement par Joseph Lance et Hans Thiering en 1918. Elle ouvre de nouvelles voies pour l'étude de la rotation des trous noirs, de la physique de l'accrétion, qui étudie la façon dont la matière tombe dans des objets massifs et libère de l'énergie, et de la formation de jets, le processus par lequel la matière en rotation et les champs magnétiques lancent des flux étroits de plasma de haute énergie dans l'espace. Pour les scientifiques, c'est une occasion rare d'observer comment l'espace-temps lui-même est déformé par l'un des objets les plus extrêmes de l'univers.