L’obscurité visible, enfin : les astronomes capturent la toute première image d’un trou noir
Comment les scientifiques ont capturé la première image d’un trou noir
Une collaboration internationale présente des observations révolutionnaires du trou noir gargantuesque au cœur de la lointaine galaxie Messier 87
Le télescope Event Horizon (EHT) – un réseau à l’échelle planétaire de huit radiotélescopes au sol forgé grâce à une collaboration internationale – a été conçu pour capturer des images d’un trou noir. Lors de conférences de presse coordonnées à travers le monde, les chercheurs de l’EHT révèlent qu’ils ont réussi, dévoilant la première preuve visuelle directe d’un trou noir supermassif et de son ombre.
Cette percée a été annoncée aujourd’hui dans une série de six articles publiés dans un numéro spécial de The Astrophysical Journal Letters. L’image révèle le trou noir au centre de Messier 87, une galaxie massive dans l’amas de galaxies de la Vierge à proximité. Ce trou noir se trouve à 55 millions d’années-lumière de la Terre et a une masse de 6,5 milliards de fois celle du Soleil.
Les astronomes ont annoncé le 10 avril 2019, qu’ils avaient enfin capturé une image de l’inobservable : un trou noir, un abîme cosmique si profond et dense que même la lumière ne peut s’en échapper.
Pendant des années, et malgré toutes les preuves scientifiques de plus en plus nombreuses, les trous noirs sont restés bloqués dans l’imagination des artistes et les algorithmes de modèles informatiques éclaboussants du type utilisé dans l’épopée spatiale de Christopher Nolan « Interstellar ». Maintenant, ils sont plus réels que jamais.
« Nous avons vu ce que nous pensions être invisible », a déclaré Shep Doeleman, astronome au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics et directeur de l’effort de capture de l’image, lors d’une conférence de presse mercredi à Washington, DC.
L’image, d’un anneau de lumière déséquilibré entourant un cercle sombre au cœur d’une galaxie connue sous le nom de Messier 87, à quelque 55 millions d’années-lumière de la Terre, ressemblait à l’Œil de Sauron, un rappel une fois de plus de la puissance implacable de nature. C’est un anneau de fumée encadrant un portail à sens unique vers l’éternité.
Pour capturer l’image, les astronomes ont traversé l’espace intergalactique jusqu’à Messier 87, ou M87, une galaxie géante dans la constellation de la Vierge. Là, un trou noir plusieurs milliards de fois plus massive que le soleil libère un violent jet d’énergie à quelque 5 000 années-lumière dans l’espace.
L’image a offert une affirmation finale et retentissante d’une idée si troublante que même Einstein, dont les équations ont émergé des trous noirs, était réticent à l’accepter. Si trop de matière est entassée en un seul endroit, la force de gravité cumulative devient écrasante et l’endroit devient un piège éternel. Ici, selon la théorie d’Einstein, la matière, l’espace et le temps prennent fin et s’évanouissent comme un rêve.
Mercredi matin, cette sombre vision est devenue une réalité viscérale. Pour autant que l’équipe d’astronomes ait pu le constater, la forme de l’ombre est circulaire, comme le prédit la théorie d’Einstein.
Les résultats ont été annoncés simultanément lors de conférences de presse à Washington, DC, et dans cinq autres endroits du monde, convenant à une collaboration internationale impliquant 200 membres, neuf télescopes et six articles pour les Astrophysical Journal Letters. Lorsque l’image a été affichée à l’écran à Washington, des acclamations et des halètements, suivis d’applaudissements, ont éclaté dans la salle et dans un univers d’astrofans après l’événement diffusé en direct.
Priyamvada Natarajan, astrophysicien à Yale, a déclaré qu’Einstein devait être ravi. « Sa théorie vient d’être testée sous contrainte dans des conditions d’extrême gravité et semble avoir tenu le coup. »
Kip Thorne, astrophysicien au California Institute of Technology, et qui a partagé un prix Nobel en 2017 pour la découverte des ondes gravitationnelles des trous noirs en collision, a écrit dans un e-mail : « C’est merveilleux de voir l’ombre presque circulaire du trou noir. Il ne fait aucun doute qu’il s’agit bien d’un trou noir au centre de M87, sans aucun signe d’écart par rapport à la relativité générale.
Janna Levin, cosmologiste et professeure au Barnard College de New York, a déclaré : « Quelle époque pour être en vie.
Un télescope de la taille de la Terre
L’image a émergé de deux ans d’analyse informatique des observations d’un réseau d’antennes radio appelé Event Horizon Telescope. Au total, huit observatoires radio sur six montagnes et quatre continents ont observé la galaxie dans la Vierge pendant 10 jours en avril 2017.
Le réseau de télescopes a également surveillé une faible source de bruit radio appelée Sagittarius A * (prononcé Sagittarius A-star), au cœur de notre galaxie, la Voie lactée. Là, à 26 000 années-lumière de la Terre, et recouvert de poussière et de gaz interstellaires, se cache un autre trou noir, avec une masse de 4,1 millions de soleils.Le réseau porte le nom du bord d’un trou noir, le point de non-retour ; au-delà de l’horizon des événements, même la lumière ne peut échapper à l’attraction gravitationnelle du trou noir.
Le mystère des trous noirs intrigue les astronomes depuis plus d’un demi-siècle.
Dans les années 1950, des astronomes équipés de radiotélescopes ont découvert que des galaxies nacrées et apparemment paisibles crachaient de l’énergie radio de leur noyau – bien plus d’énergie que celle qui serait produite par les moteurs thermonucléaires ordinaires qui font briller les étoiles.
Peut-être, pensaient les astrophysiciens, l’énergie était-elle libérée par la chute de matière sur des objets supermassifs et denses – appelés plus tard trous noirs. Depuis lors, les scientifiques ont conçu des modèles détaillés de la façon dont cela fonctionnerait. Alors que le gaz chaud et dense tourbillonne autour du trou noir, comme de l’eau dirigée vers un drain, les pressions intenses et les champs magnétiques font gicler de l’énergie sur le côté. Résultat paradoxal, les trous noirs supermassifs peuvent être les objets les plus lumineux de l’univers.
Les images publiées aujourd’hui renforcent la notion de violence perpétrée à des échelles cosmiques, a déclaré Sera Markoff, astrophysicienne à l’Université d’Amsterdam et membre de l’équipe Event Horizon. « Les trous noirs doivent être les perturbateurs majeurs les plus exotiques de l’ordre cosmique », a-t-elle déclaré.
L’idée la moins préférée d’Einstein
Le dévoilement d’aujourd’hui a eu lieu presque exactement un siècle après que des images d’étoiles de travers dans le ciel aient rendu célèbre Einstein et confirmé sa théorie de la relativité générale en tant que loi du cosmos. Cette théorie attribue la gravité à la déformation de l’espace et du temps par la matière et l’énergie, tout comme un matelas s’affaisse sous un dormeur.
La relativité générale a conduit à une nouvelle conception du cosmos, dans laquelle l’espace-temps pouvait trembler, se plier, se déchirer, se dilater, tourbillonner comme un mix-master et même disparaître à jamais dans la gueule d’un trou noir.
À la surprise d’Einstein, les équations indiquaient que lorsque trop de matière ou d’énergie était concentrée en un seul endroit, l’espace-temps pouvait s’effondrer, piégeant la matière et la lumière à perpétuité. Il n’aimait pas cette idée, mais le consensus aujourd’hui est que l’univers est parsemé de trous noirs qui consomment furieusement tout ce qui les entoure.
Nombreuses sont les pierres tombales gravitationnelles des étoiles qui ont brûlé leur carburant et se sont effondrées. Mais d’autres, cachées au centre de presque toutes les galaxies, sont des millions ou des milliards de fois plus massives que le soleil.
Personne ne sait comment de tels mastodontes du néant ont pu être assemblés. Des rides denses dans les énergies primordiales du Big Bang ? Des étoiles monstrueuses en fuite qui se sont effondrées et ont englouti leur environnement dans les années naissantes de l’univers ?
Les scientifiques ne savent pas non plus ce qui arrive finalement à tout ce qui tombe dans un trou noir, ni quelles forces règnent au centre, où, théoriquement, la densité approche l’infini et la fumée se déverse de l’ordinateur de la nature.
Zoom sur les monstres cosmiques
Tous les doutes persistants sur la réalité des trous noirs se sont dissipés il y a trois ans lorsque l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interféromètre laser, ou LIGO, a détecté la collision d’une paire de trous noirs distants, qui a envoyé un frisson à travers le tissu de l’espace-temps.
Désormais, la réalité a un visage. Peter Galison, physicien, cinéaste et historien à Harvard, et membre de l’équipe Event Horizon, a noté qu’il existe « un merveilleux sentiment ouvert de pouvoir voir quelque chose » au lieu de simplement accumuler des preuves statistiques.
Pourtant, les questions sur la gravité et l’univers abondent. « Nous savons qu’il doit y avoir quelque chose de plus », Avery Broderick, physicien du Perimeter Institute for Theoretical Physics, à Waterloo, en Ontario, a déclaré au public à Washington, DC « Les trous noirs sont l’un des endroits où chercher des réponses. »
Prouver que les monstres de la Vierge et du centre de la Voie lactée étaient vraiment des trous noirs nécessitait de mesurer la taille de leurs ombres. Ce n’était pas une tâche facile. Les deux semblent extrêmement petits à cette distance, et résoudre leurs minuscules détails serait un défi, même pour le plus grand télescope individuel.
De plus, la vue est brouillée par les particules chargées telles que les électrons et les protons qui remplissent l’espace interstellaire. « C’est comme regarder à travers du verre dépoli », a déclaré le Dr Doeleman, directeur du télescope Event Horizon.
Pour voir dans l’ombre, les astronomes devaient pouvoir régler leur radiotélescope sur des longueurs d’onde plus courtes. Et ils avaient besoin d’un plus grand télescope.
Entrez dans le télescope Event Horizon, l’enfant de rêve du Dr Doeleman. En combinant les données de radiotélescopes aussi éloignés que le pôle Sud, la France, le Chili et Hawaï, en utilisant une technique appelée interférométrie à très longue base, le Dr Doeleman et ses collègues ont créé un télescope aussi grand que la Terre elle-même, avec le pouvoir de résoudre les détails aussi petit qu’une orange sur la surface lunaire.
En avril 2017, le réseau de huit télescopes, dont le télescope du pôle Sud, synchronisé par des horloges atomiques, a observé les deux cibles pendant 10 jours.
Pendant deux ans, l’équipe d’Event Horizon a réduit et rassemblé les résultats. Les données étaient trop volumineuses pour être transmises sur Internet, elles ont donc été placées sur des disques durs et renvoyées par avion à l’observatoire Haystack du MIT, à Westford, dans le Massachusetts, et à l’Institut Max Planck de radioastronomie, à Bonn, en Allemagne.
Les données du pôle Sud n’ont pas pu arriver avant décembre 2017, a déclaré le Dr Doeleman dans une interview, « parce que c’était l’hiver antarctique, quand rien ne pouvait entrer ou sortir ».
L’année dernière, l’équipe s’est divisée en quatre groupes pour assembler des images à partir du vidage de données. Pour rester objectif et se prémunir contre les préjugés, les équipes n’avaient aucun contact les unes avec les autres. Ils se sont préparés à un résultat non concluant ou ambigu – un flou, peut-être, qu’ils ne pouvaient pas tout à fait lire.
« C’était une surprise de voir à quel point cette image est claire. »
Le Dr Doeleman est devenu optimiste l’année dernière lors d’un dîner auquel ont assisté certains des plus jeunes membres de l’équipe, qui lui ont montré les premières données pour M87.
« Il y avait des signatures claires d’une structure en forme d’anneau », a-t-il déclaré. Après le dîner, il se rendit à son bureau et fit quelques calculs grossiers. « Ce fut l’un de ces grands moments », a-t-il déclaré. « C’était une surprise de voir à quel point cette image est claire. »
Alors que la matière tourbillonne dans un trou noir, elle s’accréte dans un disque juste à l’extérieur du bord de l’abîme. L’anneau de lumière dans la nouvelle image correspond à l’orbite la plus 
interne des photons, les particules quantiques qui composent la lumière. En posant une règle sur cet anneau, les astronomes pouvaient mesurer la taille du trou noir et voir qu’il répondait à la prescription d’Einstein.
La mesure a également donné une estimation ferme de la masse du trou noir de la Vierge : 6,5 milliards de masses solaires. C’est plus lourd que la plupart des déterminations précédentes, et cela suggère que les masses d’autres grands trous noirs pourraient devoir être révisées à la hausse.
Un objet fascinant et intéressant
Les observations ont également révélé que le disque d’accrétion – le beignet du destin – est sur le côté par rapport à la Terre, le trou nous faisant face et tournant dans le sens des aiguilles d’une montre. L’image est plus lumineuse là où le gaz circule autour du trou, vers nous.
Le Dr Doeleman a décrit le trou noir au centre de la Voie lactée comme « un objet fascinant et intéressant ». Mais il est beaucoup plus petit que le trou noir de la Vierge, donc son portrait est plus difficile à saisir. Cette tâche attend le télescope Event Horizon.
Le réseau de télescopes continue de croître. En avril 2018, un télescope au Groenland a été ajouté à la collaboration. Une autre campagne d’observation a été effectuée sur la Voie lactée et M87, et a capturé deux fois la quantité de données recueillies en 2017. Ces données ne faisaient pas partie des résultats publiés aujourd’hui, mais seront utilisées pour les confirmer et surveiller le comportement des trous noirs. Deux autres antennes attendent de rejoindre le télescope Event Horizon.
« Le plan est de réaliser ces observations indéfiniment et de voir comment les choses changent », a déclaré le Dr Doeleman, entamant sa nouvelle carrière de dompteur de bêtes extragalactiques.
« C’est étonnant de penser que les humains peuvent transformer la Terre en télescope et voir un trou noir », et encore plus incroyable de le faire avec cette équipe, a-t-il déclaré. « C’est le meilleur. »
Pourquoi c’est important : En savoir plus sur les structures mystérieuses de l’univers donne un aperçu de la physique et nous permet de tester des méthodes et des théories d’observation, telles que la théorie de la relativité générale d’Einstein. Les objets massifs déforment l’espace-temps dans leur voisinage, et bien que la théorie de la relativité générale se soit directement avérée exacte pour les objets de plus petite masse, tels que la Terre et le Soleil, la théorie n’a pas encore été directement prouvée pour les trous noirs et d’autres régions contenant de la matière dense. .
L’un des principaux résultats du projet d’imagerie des trous noirs EHT est un calcul plus direct que jamais de la masse d’un trou noir. Grâce à l’EHT, les scientifiques ont pu observer et mesurer directement le rayon de l’horizon des événements de M87*, ou son rayon de Schwarzschild, et calculer la masse du trou noir. Cette estimation était proche de celle dérivée d’une méthode qui utilise le mouvement des étoiles en orbite – la validant ainsi comme une méthode d’estimation de masse.
La taille et la forme d’un trou noir, qui dépendent de sa masse et de son spin, peuvent être prédites à partir des équations de la relativité générale. La relativité générale prédit que cette silhouette serait à peu près circulaire, mais d’autres théories de la gravité prédisent des formes légèrement différentes. L’image de M87* montre une silhouette circulaire, crédibilisant ainsi la théorie de la relativité générale d’Einstein à proximité des trous noirs.
Annonce de la toute première photo d’un trou noir, prise par The Event Horizon Telescope Collaboration en 2017 dans la galaxie M87, 6,5 milliards de fois la masse de la Terre, à 55 millions d’années-lumière
1ère photo d’un trou noir – Contexte historique
Un « trou noir » est une région de l’espace-temps où la force gravitationnelle est si forte que rien – y compris la lumière – ne peut échapper à son attraction. L’idée de ces objets avait été posée théoriquement dès le XVIIIe siècle. Albert Einstein a beaucoup fait pour établir l’existence des trous noirs en théorie avec sa théorie générale de la relativité, mais lui-même avait des doutes tant le concept était bizarre.
La photo ci-dessus a été prise par le télescope Event Horizon, qui est en fait une série de réseaux de télescopes. Le trou noir se trouve dans la galaxie Messier 87, et le trou fait environ 7 milliards de fois la masse du Soleil. On pense que les trous noirs existent au centre de nombreuses galaxies, y compris la nôtre.
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https://www.jpl.nasa.gov/edu/news/2019/4/19/how-scientists-captured-the-first-image-of-a-black-hole/
https://earthsky.org/human-world/1st-photo-black-hole-event-horizon-release-apr-2019/
https://www.nytimes.com/2019/04/10/science/black-hole-picture.html