Comment être sûr que M87*, le premier trou noir imagé, est bien un trou noir ? Et si c'était plutôt une étoile à bosons ? Des scientifiques expliquent comment il est possible de distinguer ces objets sur des images.

Il est pour l’instant l’unique trou noir dont nous pouvons voir la photo : la première image de M87*, le trou noir supermassif situé au centre de la galaxie Messier 87 (M87), a été présentée en avril 2019. Mais comment pouvons-nous être aussi sûrs que M87* est bien un trou noir ? Ne pourrait-on pas le confondre avec un autre objet céleste, une étoile à bosons ?

Des scientifiques se sont posé la question dans une étude, parue dans le numéro de septembre de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, repérée par ScienceAlert le 9 septembre. L’image obtenue par l’Event Horizon Telescope (EHT) parait certes cohérente avec ce que l’on s’attendait à voir : un anneau encerclant une région sombre, supposée être « l’ombre » du trou noir. Mais, selon les auteurs, « il est important de se demander si des images qualitativement similaires peuvent être associées à d’autres types d’objets compacts », et comment on pourrait faire la distinction avec un trou noir dans ce cas.

Les trous noirs ne sont pas les uniques objets sans surface dure qui peuvent atteindre des millions de masses solaires et être extrêmement denses. Les étoiles à bosons pourraient elles aussi prendre l’apparence d’une ombre, comme celle de M87*. Les étoiles à bosons sont des astres hypothétiques qui seraient formés, comme leur nom l’indique, de bosons — une classe de particules élémentaires (à côté des fermions, qui forment les étoiles classiques).

À masse égale, une région sombre plus petite

D’après les chercheurs, il y a bien un moyen de s’assurer que l’astre observé est un trou noir, et non une étoile à bosons. Même si des objets sans frontière ni surface peuvent avoir l’apparence d’une région sombre, qui rappelle l’ombre d’un trou noir, ils présenteront néanmoins une différence. Ces régions sombres « seront plus petites que la taille attendue de l’ombre d’un trou noir de la même masse ».

Images d’étoiles à bosons simulées par les scientifiques. // Source : Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

Ceci est lié au phénomène d’accrétion (la capture de matière, sous l’effet de la gravitation) : « l’accrétion sur les étoiles à bosons considérées ici conduit à l’accumulation de matière dans les régions les plus intimes de l’objet compact », décrivent les auteurs. La matière, qui peut parvenir jusqu’au centre de l’étoile à bosons, explique pourquoi les zones sombres sont bien plus petites que pour un trou noir de masse équivalente.

Les scientifiques ont travaillé sur des simulations et ont obtenu des images synthétiques montrant qu’en dépit de leurs points communs, les trous noirs et les étoiles à bosons étaient bien différentiables. Ces travaux renforcent « la confiance dans la capacité de l’EHT à identifier ces objets [ndlr : les trous noirs] par des observations radio », selon les chercheurs.

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