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L'humanité contemple pour la première fois l'image d'un trou noir

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Première image de l’ombre d’un trou noir : le tour noir supermassif du centre de la galaxie M87, observé par le réseau EHT. © The EHT collaboration
Première image de l’ombre d’un trou noir : le tour noir supermassif du centre de la galaxie M87, observé par le réseau EHT. © The EHT collaboration

Lors d’une conférence de presse mondiale, le réseau international de radiotélescopes EHT a dévoilé la première image d’un trou noir supermassif.

Elle était très attendue, cette image ! Au départ un trou noir est une solution d’équation mathématique : il n'avait qu’une existence théorique, jusqu'à ce qu'on commence à en obtenir des indices concrets. Là, on a enfin une observation directe, un siècle après Einstein. Aujourd’hui, c’est un moment historique ; aussi historique que les détections des ondes gravitationnelles en 2015. On s’attendait à ce que cela soit une image de Sagittarius A*, le trou noir supermassif de notre Voie lactée. Mais en fait, il s’agit de M87*, le trou noir supermassif de la galaxie M87, qui est mille fois plus loin, mais surtout mille fois plus gros. 

LA_METHODE_SCIENTIFIQUE - La première image d'un trou noir dévoilée par la Nasa

7 min

Mais comment observer un trou noir puisque - problème - par définition un trou noir est invisible ? C’est un astre dont rien ne peut s’échapper, ni lumière, ni matière. L’idée, c’était de réussir à voir l’ombre du trou noir, c’est-à-dire son environnement, son disque d’accrétion, lui très lumineux. Alors cette image correspond-elle aux modèles de simulation numérique ? À quoi ressemble-t-elle ? Le suspens a assez duré : je laisse la parole à l’astrophysicien Aurélien Barrau.

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L'image recomposée obtenue ressemble à un brillant croissant de lune enrobant un disque noir, positionné du côté où la tache chaude du disque d'accrétion s'approche de l'observateur.

Une prouesse technique et instrumentale

Les défis techniques ont été nombreux, à commencer par la distance : M87* se trouve à 55 millions d'années-lumière de nous. Si on a pu obtenir cette image aujourd’hui, c’est grâce aux progrès de l’observation astronomique ; et notamment grâce au programme EHT, pour "Event Horizon Telescope". Huit télescopes répartis sur toute la planète ont été mis en réseau. il y a deux ans, en avril 2017, pendant quatre nuits aux bonnes conditions atmosphériques, Sagitarius A* et M87* ont été ciblés. Les télescopes ont récolté une masse de données énorme. En une seule nuit d'observation, ils ont collecté deux petabytes de données, c’est-à-dire 10 puissance 15. Elles ont ensuite été combinées par des superordinateurs. Il fallait compter plusieurs mois pour obtenir quelques pixels d’images. Deux ans plus tard, nous avons une résolution record ! L’ IRAM, l'Institut de radioastronomie millimétrique, a fourni une partie des instruments utilisés. Les techniques d’observation sont assez fascinantes. Frédéric Gueth est chercheur au CNRS et directeur adjoint de l'IRAM, il nous en dit plus sur l’interférométrie à très longue ligne de base.

La résolution est l'une des meilleures que l’on ait jamais obtenues dans des observations astronomiques. C’est une résolution de 20 microsecondes d’arc, donc 20 millionièmes de seconde d’arc, c’est énorme. On observe à des longueurs d’ondes millimétriques, un millimètre de longueur d’onde,  230 gigahertz de fréquence et pour ça, on est obligé d’avoir des antennes millimétriques partout sur la planète, ce qui nous permet de synthétiser une énorme antenne qui aurait près de 10 000 kilomètres de diamètre. Et on sait que la résolution angulaire d’un télescope est proportionnelle à son diamètre. Donc là, on est sur des valeurs phénoménales. C’est l’interférométrie à très longue ligne de base - VLBI en anglais. Ça consiste à combiner des télescopes répartis aux quatre coins de la planète pour après faire de l’interférométrie. Alors ces défis techniques ont été immenses... Pour faire des observations de ce type, la clé c’est qu’il faut synchroniser tous les observatoires, et il faut synchroniser aussi dans l’espace, c’est-à-dire que les signaux arrivent avec un léger décalage. Il faut corriger tout ça, corriger les délais entre les différentes stations d’observation.

58 min

On peut dire que pour l’astrophysique relativiste et pour la physique fondamentale, on est dans un âge d’or. Il est important que cette image soit la plus précise possible, parce qu’elle permet de tester une nouvelle fois la théorie de la relativité générale d’Einstein. Mais aussi la théorie des trous noirs de Wheeler et celle de Hawking. Le fait qu’elle ressemble aux dernières modélisations peut avoir un côté décevant : on pourrait se dire qu’on fait plein d’efforts afin d'observer quelque chose... pour finir par trouver ce qu’on attendait. Mais en réalité c’est très satisfaisant. Ça signifie que la théorie et les simulations sont parfaitement au point. 

Ces observations nous permettent d’en apprendre plus sur l’horizon des événements - cette frontière où la matière entre dans le trou noir - mais aussi sur l’origine des jets de matières.