De nombreux objets gravitationnels compacts dans le cosmos, tels que les trous noirs, les singularités nues et les trous de ver, ne peuvent être détectés que par la signature de leurs ombres. Distinguer leurs différentes natures à partir de ces signatures est une tâche difficile car leurs ombres sont souvent très similaires. Par conséquent, nous ne pouvons pas nous fier exclusivement à cette information pour discerner sans ambiguïté les géométries spécifiques de l’espace-temps associées à ces objets.
Par exemple, les images radio obtenues par le télescope Event Horizon pour observer directement les disques d’accrétion des trous noirs supermassifs dans les centres galactiques sont difficiles à interpréter, car les informations sur leur champ gravitationnel sont couplées de manière non linéaire à la magnétohydrodynamique du système
Le rôle de la polarisation dans l’identification des objets compacts
La principale caractéristique analysée dans ces images est leur profil d’intensité. Une approche intéressante pour mieux contraindre la géométrie de l’espace-temps consiste à prendre en compte également la polarisation du rayonnement électromagnétique émanant du disque d’accrétion. La polarisation fournit des informations sur la structure du champ magnétique dans la région à forte gravité et permet donc de sonder l’interaction du champ magnétique local avec la géométrie de l’espace-temps.
Une étude récente de la polarisation observable de la source radio du trou noir M87, publiée par l’Event Horizon Telescope Collaboration, a révélé une émission polarisée linéairement à l’échelle de l’horizon des événements, qui serait produite par le rayonnement synchrotron [1]. Le rayonnement synchrotron est le rayonnement électromagnétique émis lorsque des particules chargées se déplacent sur des trajectoires courbes. Ce rayonnement présente une polarisation caractéristique et les fréquences générées peuvent couvrir une grande partie du spectre électromagnétique.
Grâce aux modèles astrophysiques et à leurs simulations numériques, les données d’observation recueillies offrent une excellente opportunité de comprendre la signature et les mécanismes de M87.
Jet astrophysique de matière ionisée émis sous forme de faisceau étendu le long de l’axe de rotation de M87*. La lumière bleue du jet émergeant du noyauactif degalaxie AGN, en bas à droite, est due au rayonnement synchrotron. NASA, The Hubble Heritage Team (STScI/AURA) – HubbleSite.
Comparaison des schémas de polarisation : trou noir de Schwarzschild vs trou de ver
En utilisant le modèle simplifié d’un anneau de fluide magnétisé en orbite dans le plan équatorial et émettant un rayonnement synchrotron, une équipe de chercheurs de l’Université de Sofia, en Bulgarie, a simulé la polarisation observable dans les géométries de trou de ver pour une série de paramètres physiques et l’a comparée au cas du trou noir de Schwarzschild. Pour reproduire la polarisation observée de M87, ils se sont principalement concentrés sur les champs magnétiques équatoriaux, supposés de magnitude constante.
Ce modèle parvient à reproduire les caractéristiques de base de la polarisation observable, en utilisant peu de paramètres : le rayon de l’anneau et son inclinaison par rapport à l’observateur, la vitesse du fluide dans le cadre de repos local, ainsi que la magnitude et la direction du champ magnétique. Grâce à ce modèle, les chercheurs ont exploré les signatures de polarisation dans l’espace-temps d’objets compacts sans horizon, cherchant également de nouvelles caractéristiques qualitatives des images polarisées qui pourraient permettre de distinguer les objets compacts exotiques au moyen de ces mesures de polarisation.
Ils ont également étudié la sensibilité de la polarisation observable à la géométrie de l’espace-temps et l’efficacité avec laquelle ils peuvent utiliser sa structure pour déterminer la nature physique des objets compacts au centre des galaxies. Leur recherche vise à savoir si la nature non-trou noir de l’espace-temps laisserait des empreintes sur les propriétés de la polarisation, car ils souhaitent isoler les effets pouvant être attribués principalement à l’absence d’horizon des événements, en sélectionnant des géométries possédant une structure des géodésiques circulaires similaire à celle du trou noir de Schwarzschild.
Dans leur travail, les auteurs décrivent le modèle physique de la polarisation linéaire, résultant du rayonnement synchrotron se propageant dans un espace-temps courbe, ainsi que la procédure de calcul pour obtenir son image observable. Ils présentent les images simulées de la polarisation linéaire dans la géométrie du trou de ver et discutent de leurs propriétés en comparaison avec celles du trou noir de Schwarzschild. Ils ont pris en compte les images directes à différents angles d’inclinaison, ainsi que les images indirectes fortement lentillées.
En réalisant une série de simulations dans l’espace-temps statique des trous de ver pour différents angles d’inclinaison et directions de champ magnétique, les auteurs ont étudié comment les propriétés de polarisation du modèle d’anneau fluide sont influencées par la géométrie de l’espace-temps. Ils ont conclu que la lentille gravitationnelle directe autour des trous de ver peut conduire à une image de polarisation similaire à celle des trous noirs pour de petits angles d’inclinaison, comme le montre la figure ci-dessous. L’émission équatoriale directe dans les espaces-temps de trous de ver peut reproduire les données de polarisation pour M87 de manière comparable au modèle correspondant dans l’espace-temps de Schwarzschild.
Fig 1 : (extrait de la prépublication) : Chaque couleur représente la polarisation observable des orbites situées à r = 6M (anneau extérieur) et r = 4.5M (anneau intérieur) pour une solution de trou de ver particulière avec un paramètre de redshift α ∈ [0, 3]. La polarisation pour le trou noir de Schwarzschild est donnée par une ligne noire en pointillés comme référence. L’angle d’inclinaison est θ = 20◦.
Pour évaluer quantitativement la variation de l’image de polarisation pour les deux types d’objets compacts, la déviation de l’intensité de polarisation et sa direction ont été analysées en profondeur. Sur la base de l’analyse d’une certaine classe de géométries de vortex, les auteurs de l’étude concluent qu’à de petits angles d’inclinaison, il pourrait être difficile de distinguer les vortex des trous noirs sur la base de leurs images polarisées directes. Les images indirectes à forte lentille fournissent des sondes plus fiables de l’espace-temps sous-jacent, ainsi que des effets caractéristiques tels que la détection du rayonnement polarisé provenant de la région située de l’autre côté de la gorge du trou de ver.
Les résultats fournis par Nedkova et al. suggèrent que si les trous de ver existent, leurs signatures sont très similaires à celles des trous noirs sous différents angles, ce qui soulève la possibilité que nous ayons vu des exemples de ce phénomène époustouflant sans le savoir. Peut-être que certaines des signatures que nous avons détectées et que nous pensions appartenir à des trous noirs pourraient en fait provenir de trous de ver.
Les chercheurs pensent qu’il devrait être possible de distinguer les trous de ver des trous noirs en notant des différences subtiles dans leurs schémas de polarisation, leurs intensités et leurs rayons.
Références
[1] Valentin Deliyski, Galin Gyulchev, Petya Nedkova, and Stoytcho Yazadjiev Phys. Rev. D 106, 104024
