Signatures of charged rotating regular black holes: quasinormal modes, grey-body factors and shadows

Pendant des décennies, l'image prédominante d'un trou noir dans notre univers a été définie par une faille unique et terrifiante : un point en son centre même où les lois de la physique s'effondrent. Dans les modèles standards de la gravité, ce point, connu sous le nom de singularité, est un lieu où la densité devient infinie et où l'espace-temps se déchire. Bien que cette anomalie mathématique soit cachée derrière un horizon des événements, protégeant le reste de l'univers de son chaos, de nombreux physiciens soupçonnent depuis longtemps que la nature ne permet pas réellement de telles infinies. Ils ont proposé des trous noirs « réguliers », des objets théoriques qui possèdent un horizon des événements et l'attraction familière de la gravité, mais qui remplacent ce point central destructeur par un noyau lisse et fini. La question qui persiste est de savoir si ces versions plus lisses de trous noirs auraient un aspect ou un comportement différent de ceux que nous attendons des modèles standards, ou si elles seraient indiscernables des modèles classiques.

Une étude récente d'Abhisek Barman Maji, de l'Institut indien de technologie de Kharagpur, s'efforce de répondre à cela en créant des simulations détaillées de deux types spécifiques de ces trous noirs réguliers, désormais mis en rotation. Dans l'univers réel, les trous noirs tournent presque toujours, et cette rotation entraîne avec elle le tissu même de l'espace, créant un environnement complexe que les modèles statiques ne peuvent capturer. Le chercheur a construit des versions rotatives de deux modèles théoriques, connus sous les noms de trous noirs d'Ayón–Beato–García (ABG) et de Balart–Panotopoulos–Rincón (BPR), puis les a soumis à une batterie de tests pour voir comment ils interagiraient avec le monde environnant. L'objectif était de déterminer si nous pourrions distinguer ces objets lisses et réguliers des trous noirs singuliers standards à l'aide des outils de l'astronomie moderne, tels que les ondulations de l'espace-temps causées par des collisions ou les silhouettes sombres projetées contre un fond de gaz incandescent.

Pour comprendre ce que révèlent ces simulations, il faut d'abord comprendre les outils utilisés pour les sonder. Lorsqu'un trou noir est perturbé, par exemple par une étoile passante ou une collision avec un autre trou noir, il ne se stabilise pas immédiatement. Au lieu de cela, il résonne comme une cloche frappée, émettant des ondes gravitationnelles à des fréquences spécifiques qui s'estompent avec le temps. Ce sont les modes quasi-normaux, et leur hauteur ainsi que la rapidité avec laquelle ils s'atténuent dépendent entièrement de la forme et de la structure du trou noir. L'étude a calculé ces fréquences de « résonance » pour les trous noirs réguliers en rotation et les a comparées au trou noir rotatif standard chargé, connu sous le nom de trou noir de Kerr–Newman. Les résultats ont montré un motif frappant : le trou noir BPR en rotation se comportait presque exactement comme le modèle standard de Kerr–Newman. Leurs fréquences de résonance étaient si similaires qu'ils étaient, à toutes fins utiles, des jumeaux. Cependant, le trou noir ABG en rotation racontait une histoire différente. Ses vibrations étaient distinctes, changeant d'une manière qui le distinguait clairement du modèle standard, surtout lorsque le trou noir tournait rapidement ou portait une charge électrique significative.

L'investigation ne s'est pas arrêtée au son ; elle a également examiné comment ces objets diffusent la lumière et l'énergie. Les chercheurs ont calculé les « facteurs de corps gris », qui décrivent quelle quantité d'une onde approchant un trou noir est absorbée par rapport à la quantité qui rebondit. Dans ce test, le modèle BPR s'est à nouveau révélé presque identique au trou noir standard de Kerr–Newman, absorbant et réfléchissant les ondes de la même manière. Le modèle ABG, cependant, agissait comme une barrière plus forte, réfléchissant plus d'énergie à certaines fréquences et retardant la transition vers l'absorption totale. Cela suggère que si nous pouvions mesurer la manière dont les trous noirs diffusent les ondes avec une précision extrême, nous pourrions détecter la signature unique de la géométrie ABG. L'étude a également examiné un phénomène appelé superradiance, où un trou noir en rotation peut en fait amplifier les ondes entrantes, volant l'énergie de sa propre rotation. Ici aussi, le modèle ABG présentait un seuil différent pour cette amplification par rapport aux autres, nécessitant une fréquence plus élevée pour déclencher l'effet.

La partie peut-être la plus visuellement captivante de l'étude concernait l'« ombre » du trou noir. Lorsqu'un trou noir se trouve devant un fond lumineux, il bloque la lumière, projetant une silhouette sombre légèrement plus grande que l'horizon des événements elle-même. Cette ombre est façonnée par les orbites instables des photons, les particules de lumière qui tournent autour du trou noir avant de soit tomber à l'intérieur, soit de s'échapper. Les chercheurs ont cartographié ces ombres pour leurs modèles rotatifs et les ont comparées aux observations faites par l'Event Horizon Telescope, l'instrument qui a capturé la première image de l'ombre d'un trou noir. Les simulations ont révélé que l'ombre du trou noir BPR en rotation était virtuellement indiscernable de l'ombre standard de Kerr–Newman. Le modèle ABG en rotation, cependant, produisait une forme sensiblement différente. En comparant ces ombres théoriques aux mesures réelles des trous noirs supermassifs M87* et Sgr A*, l'étude a pu fixer des limites strictes sur la vitesse de rotation et la charge que ces trous noirs réguliers pouvaient porter sans contredire ce que nous voyons dans le ciel.

La conclusion globale de ce travail est un récit de deux résultats différents. Elle suggère que tous les trous noirs réguliers ne sont pas créés égaux en ce qui concerne l'observation. L'un des modèles testés, le BPR, est si similaire au trou noir rotatif standard qu'il serait incroyablement difficile de les distinguer en utilisant la technologie actuelle ou proche. Ils résonneraient de la même manière, projeteraient la même ombre et diffuseraient la lumière de la même façon. L'autre modèle, l'ABG, présente un visage beaucoup plus distinct à l'univers, avec des vibrations uniques et une ombre différente qui pourraient potentiellement être détectées. Cette découverte implique que les détails mathématiques spécifiques utilisés pour supprimer la singularité centrale importent profondément. Bien que l'exigence qu'un trou noir soit « régulier » soit une contrainte puissante, elle n'oblige pas tous ces objets à se ressembler. Au contraire, la manière spécifique dont le noyau est lissé laisse une empreinte sur le comportement du trou noir, offrant une voie potentielle pour que les astronomes distinguent différentes théories de la gravité à l'avenir, à condition qu'ils puissent mesurer les subtiles différences dans la manière dont ces géants cosmiques vibrent et bloquent la lumière derrière eux.