Contrairement à de nombreux astronomes, Erin Kara n’a pas grandi frappée par les étoiles. "Je n'ai pas cette histoire d'être ce petit enfant qui regarde les étoiles et veut faire ça, ce qui m'a donné une certaine anxiété", a-t-elle déclaré. "Est-ce que ça fait de moi un faux ?"

Mais après avoir découvert l’astrophysique alors qu’elle était étudiante, Kara est devenue accro. Maintenant un astrophysicien observationnel Au Massachusetts Institute of Technology, elle visite un territoire époustouflant. Comme un astronaute dans le film Interstellaire, elle explore les régions proches des trous noirs gargantuesques. Son objectif est de mieux comprendre le comportement de ces trous noirs et comment ils remodèlent continuellement les galaxies à travers l’univers.

D’une masse égale à des millions ou des milliards de soleils, des trous noirs supermassifs se cachent au centre de presque toutes les galaxies. Sur le plan énergétique, ces trous noirs sont comme les cœurs sombres et battants des galaxies.

« Ils ne sont pas seulement ornementaux. Ils ne restent pas assis passivement », a déclaré Kara. "Ils dictent en fait la façon dont la galaxie évolue et pourquoi elle ressemble à ce qu'elle est."

Kara tente de comprendre l'environnement à proximité de ces trous noirs, où est libérée l'essentiel de leur énergie. En suivant attentivement le gaz et le plasma qui tourbillonnent près d'un trou noir – formant ce qu'on appelle un disque d'accrétion – elle peut, par exemple, se rapprocher de la masse du trou noir. Ce gaz et ce plasma à proximité peuvent également aider à révéler comment les trous noirs se régalent créent des structures cosmiques extrêmes telles que des jets relativistes – de gigantesques faisceaux de plasma surchauffé accélérés presque à la vitesse de la lumière.

Mais il existe un énorme problème que Kara et d’autres chercheurs doivent surmonter : ces trous noirs cibles sont si éloignés que les techniques d’imagerie conventionnelles ne peuvent pas déterminer leur environnement immédiat. Pour reconstruire l'environnement immédiat autour d'un trou noir, Kara se tourne vers la lumière des rayons X émise par le disque d'accrétion. Elle mesure les retards subtils lorsque cette lumière atteint la Terre. Ce faisant, elle peut déduire la structure du gaz et du plasma avec une résolution remarquable. Le travail de Kara sur cette méthode – appelée cartographie de réverbération – a révélé la frénésie alimentaire des trous noirs avec des détails sans précédent, avec des résultats qui incluent les premiers rayons X « résonnent » jamais vu depuis un trou noir déchiquetant une étoile. Kara a reçu le prix 2022 de l'American Astronomical Society Prix ​​Newton Lacy Pierce, qui récompense les réalisations exceptionnelles en astronomie d'observation au cours des cinq années précédentes.

Quanta Magazine a récemment parlé avec Kara de son cheminement vers la science, des rouages ​​de la cartographie de la réverbération et des trous noirs qui l'empêchent de dormir la nuit. L'interview a été condensée et éditée pour plus de clarté.

Vous passez beaucoup de temps à penser aux trous noirs, au point où vous en avez même converti leurs simulations en sons. Beaucoup de gens considèrent les trous noirs comme « bizarres », « effrayants » ou « inquiétants ». Croyez-vous à cette caractérisation ?

Il existe ce stéréotype selon lequel les trous noirs sont des choses désagréables dont nous devrions tous avoir peur, mais ce qui est étonnant, c'est que les trous noirs nous donnent réellement la vie, si vous voulez l'amener à ce niveau d'abstraction. La raison pour laquelle nous sommes tous ici est que le gaz dans notre galaxie est distribué de telle sorte que des étoiles pourraient se former, ce qui a finalement conduit à la planète sur laquelle nous vivons. Cela a été, d’une certaine manière, dicté par le trou noir central de notre galaxie.

Les trous noirs ne sont pas une disparition ni la fin de tout. Ils constituent en fait, à certains égards, un début.

D’une manière générale, quelles sont les questions sur les trous noirs qui vous intéressent le plus ?

Si vous comprenez comment les flux de gaz se comportent dans l'espace-temps fortement incurvé autour d'un trou noir, vous pouvez alors utiliser ces informations pour mesurer les propriétés fondamentales du trou noir : sa masse et sa rotation, une mesure de la vitesse à laquelle il tourne.

Pourriez-vous décrire le cadre général des trous noirs que vous regardez ?

Ils sont tous entourés de disques de gaz et de poussière. Ces disques d'accrétion peuvent devenir suffisamment chauds pour émettre des rayons optiques et ultraviolets, mais ils ne le sont pas assez pour créer des rayons X. Ce que nous voyons avec nos télescopes, c’est que les trous noirs en accumulation – qui sont en train de consommer ces disques – produisent toujours des rayons X. Si vous voyez des rayons X à un milliard d’années-lumière, ils proviennent probablement d’un trou noir supermassif en accumulation.

Comment les trous noirs créent-ils ces rayons X ?

Nous savons qu'il doit y avoir un plasma à très haute énergie autour du trou noir qui crée ces photons à rayons X. Nous appelons cela la couronne – comme le plasma chaud qui entoure le soleil. La couronne d'un trou noir est comme la couronne au sommet du disque d'accrétion. Il peut faire extrêmement chaud et produire beaucoup de rayons X. La matière présente dans le disque d'accrétion est d'environ un million de kelvins, mais la couronne est d'un milliard de kelvins. En réalité, nous ne savons pas grand-chose sur cette couronne, et l’une des grandes questions est la suivante : comment se forme-t-elle ? Quelle est sa géométrie ?

Alors, comment la technique que vous utilisez, la cartographie de réverbération, peut-elle passer de la collecte de rayons X à la révélation de la couronne et de ses environs ?

Vous avez cette couronne autour d'un trou noir, ainsi qu'un disque d'accrétion. Et lorsque la couronne irradie ce disque d’accrétion plus froid avec des rayons X, les ions du disque émettent leurs propres rayons X, principalement par fluorescence.

Fondamentalement, ces rayons X secondaires sont comme des échos de lumière, c’est pourquoi nous les appelons échos de réverbération. Ce que nous faisons, c'est mesurer les délais entre un éclair primaire de rayons X provenant de la couronne et les échos correspondants du disque d'accrétion. Si nous pouvons mesurer ces échos, nous pourrons alors reconstruire à quoi cela ressemble autour du trou noir.

Cela ressemble à la façon dont les chauves-souris utilisent l'écholocation. Ils ne peuvent pas voir la grotte sombre qu'ils traversent, mais ils savent que l'écho leur reviendra avec un certain retard, et ils peuvent utiliser le fait que l'écho se déplace à la vitesse du son pour cartographier la grotte sombre qu'ils traversent. caverne sombre. Nous faisons cela, sauf avec la lumière qui se déplace à la vitesse de la lumière.

J'étais sur le point de dire que les murs autour d'une chauve-souris ne bougent pas à des vitesses relativistes, donc j'imagine que les choses sont un peu plus difficiles quand on fait ça.

[Des rires.] C'est un peu plus compliqué que ça, juste un peu…

Que faut-il alors pour passer de vos données – des photons X dans un seau – à une carte de la région autour d’un trou noir ?

À l’origine, nous recherchions simplement une gamme de longueurs d’onde de rayons X dont nous savions qu’elle était dominée par l’émission de la couronne, et une gamme dont nous savions qu’elle était dominée par cet écho. Nous avons constaté que si vous convertissiez le délai entre ces plages en une distance parcourue par la lumière, cela correspondait à peu près à la cartographie des flux de gaz très proches du trou noir, soit à quelques fois le rayon de l'horizon des événements.

Nous essayons maintenant de créer de nombreuses simulations différentes de systèmes de disques d’accrétion corona, puis d’identifier ceux qui ressemblent aux données que nous voyons. Nous faisons cela avec ce que l’on appelle des simulations de lancer de rayons relativistes générales. Les simulations de lancer de rayons sont utilisées dans toutes sortes de jeux vidéo, et c'est le même genre de principe : nous prenons un point qui est un modèle pour la couronne, nous en émettons des rayons lumineux dans toutes les directions différentes, et nous suivons simplement où ces lumière les rayons partent. Certains d’entre eux iront vers un observateur éloigné, et d’autres tomberont dans le disque, irradieront le disque, puis rebondiront et se refléteront dans le plan du télescope.

En quoi la cartographie de la réverbération diffère-t-elle, par exemple, de ce que le télescope Event Horizon a fait pour obtenir des images directes de trous noirs ?

Le télescope Event Horizon a été tout simplement incroyable pour imager les trous noirs au centre de notre galaxie et de M87, mais il ne peut réellement faire que ces deux trous noirs. Plus que cela, si nous voulons aborder la question de savoir comment les trous noirs se développent, nous devons examiner les trous noirs qui se développent activement en ce moment – ​​ou plutôt les trous noirs qui sont extrêmement lumineux dans les rayons X.

Le trou noir au centre de notre galaxie a dû avoir cette phase où il se développait activement et mangeait beaucoup de matière. À l’heure actuelle, ce n’est pas le cas – et c’est précisément parce qu’il ne grandit pas beaucoup que le télescope Event Horizon peut l’imager directement. Pour étudier les trous noirs en croissance active, où un matériau à haute densité se précipite vers le trou noir, nous avons besoin d’une autre technique. Et c'est là qu'intervient le mappage de réverbération.

Avez-vous examiné des trous noirs spécifiques qui vous paraissent particulièrement instructifs ?

Ma tactique de recherche générale consiste à trouver des trous noirs qui se comportent d'une manière à laquelle nous nous attendons. Si vous pouvez comprendre les détails de ces systèmes et que vous pouvez tracer très clairement la géométrie autour du trou noir, vous pouvez alors effectuer des mesures précises de la masse et de la rotation du trou noir.

L'un de mes favoris en ce moment est un binaire à rayons X appelé MAXI J1820+070. Ce n'est pas un trou noir supermassif ; c'est juste 10 fois la masse du soleil. Il se trouve dans un système compagnon avec une étoile, et il extrait le gaz de cette étoile et forme un disque d'accrétion et une couronne. C’est juste un système très propre, et il est si proche de la Terre : il est pour nous environ mille fois plus brillant que ces trous noirs supermassifs.

Et d’un autre côté, quels trous noirs vous paraissent particulièrement extrêmes ou particulièrement étranges ?

J'aime étudier les gars normaux, puis j'aime faire monter les choses et voir où les choses se cassent. Ce qui est aussi très amusant, ce sont les systèmes bizarres qui vous empêchent de dormir la nuit en vous demandant : comment diable la nature a-t-elle permis que cela se produise ? Et la source qui m'a empêché de dormir la nuit s'appelle ASASSN-18el, qui est un trou noir supermassif.

ASASSN-18el a été trouvé par le relevé du ciel ASAS-SN comme l'un de ces trous noirs qui avaient l'air plutôt normaux et qui, tout d'un coup, se sont lancés dans une explosion folle. Nous avons commencé à l’observer avec des observations optiques, UV et de nombreux rayons X également, et c’est devenu complètement fou. Il y a eu ces explosions initiales, puis il s’est éteint – comme une diminution de luminosité de quatre ordres de grandeur. Et puis il s'est rallumé et est devenu la source de rayons X la plus brillante du ciel extragalactique pendant environ un an, puis il a recommencé à s'éteindre. Il semble maintenant qu'il se rallume.

Nous pensions qu’il faudrait au moins des millions d’années pour qu’un phénomène s’éteigne de quatre ordres de grandeur. Et pourtant, nous l’avons vu se produire en un an – ou en quelques mois. Comment une chose pareille peut-elle arriver ?

Historiquement, ce que nous savions de ces trous noirs supermassifs en accumulation – appelés noyaux galactiques actifs – nous l’avons appris grâce à des enquêtes au cours desquelles nous les examinions de temps en temps. Mais maintenant, nous avons ces études du ciel qui scrutent le ciel plusieurs fois par semaine, et nous regardons simplement ces trous noirs, pour voir ce qu'ils font. Et il s’avère que lorsque nous ne les regardions pas, ils faisaient toutes sortes de choses folles. Maintenant, nous commençons enfin à nous en rendre compte.

Qu’est-ce qui vous a motivé à vous lancer dans l’astronomie et à étudier les trous noirs, et qu’est-ce qui vous inspire aujourd’hui ?

Ce qui m'a vraiment enthousiasmé dans la poursuite de l'astronomie, c'est l'aspect découverte : c'était tout simplement très excitant d'être la première personne à regarder la lumière émise autour d'un trou noir il y a un milliard d'années. C'est incroyable. Comment se fait-il que nous, de petits êtres humains, puissions même réfléchir à ces choses, ou nous réunir pour créer des technologies permettant de répondre à certaines de ces énormes questions fondamentales que les gens se posent depuis le début de la pensée humaine ?

Et j’aime l’aspect communautaire qui consiste à rassembler les gens autour d’un objectif commun. Nous avons cette idée de ce qu’est la « science » : vous étiez assis seul, inspiré par votre propre génie créatif, et vous avez fait toutes ces découvertes par vous-même. Mais ce n’est pas ce qui est super inspirant. Pour moi, c'est que nous sommes capables de travailler ensemble et d'utiliser l'expertise de chacun pour créer quelque chose de bien plus grand que chacun d'entre nous.