Les astronomes révèlent la première image du trou noir au cœur de notre galaxie

Des astronomes ont dévoilé la première image du trou noir supermassif situé au centre de notre propre galaxie, la Voie lactée. Ce résultat apporte la preuve irréfutable que l'objet est bien un trou noir et fournit des indices précieux sur le fonctionnement de ces géants, dont on pense qu'ils se trouvent au centre de la plupart des galaxies. L'image a été produite par une équipe de recherche internationale appelée Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, à partir des observations d'un réseau mondial de radiotélescopes. Des astronomes de l'Université McGill ont participé à cet effort mondial.

Les résultats de l'équipe de l'EHT sont publiés aujourd'hui dans un numéro spécial de la revue The Astrophysical Journal Letters. Cette image constitue un regard longtemps attendu de l'objet massif qui se trouve au centre même de notre galaxie. Les scientifiques avaient déjà observé des étoiles en orbite autour d'un objet invisible, compact et très massif au centre de la Voie lactée. Cela suggérait fortement que cet objet - connu sous le nom de Sagittarius A* (Sgr A*, prononcé "sadge-ay-star") - était un trou noir, et l'image d'aujourd'hui en fournit la première preuve visuelle directe.

Bien que nous ne puissions pas voir le trou noir lui-même, car il est complètement sombre, le gaz incandescent qui l'entoure en révèle la signature : une région centrale obscure (appelée ombre) entourée d'une structure brillante en forme d'anneau. Cette nouvelle image montre la lumière déformée par la puissante gravité du trou noir, qui est quatre millions de fois plus massif que notre Soleil.

Confirmation des prédictions de la théorie de la relativité générale d'Einstein

"Nous avons été stupéfaits de voir à quel point la taille de l'anneau correspondait aux prédictions de la théorie de la relativité générale d'Einstein", a déclaré le scientifique du projet EHT, Geoffrey Bower, de l'Institut d'astronomie et d'astrophysique, Academia Sinica, Taipei. "Ces observations sans précédent ont considérablement amélioré notre compréhension de ce qui se passe au centre même de notre galaxie, et offrent de nouvelles perspectives sur la façon dont ces trous noirs géants interagissent avec leur environnement."

Le trou noir étant situé à environ 27 000 années-lumière de la Terre, il nous apparaît dans le ciel avec la même taille qu'un beignet sur la Lune. Pour l'imager, l'équipe a créé le puissant EHT, qui relie huit observatoires radio existants à travers la planète pour former un seul télescope virtuel "de taille terrestre" [1]. L'EHT a observé Sgr A* pendant plusieurs nuits en 2017, recueillant des données pendant de nombreuses heures d'affilée, comme si l'on utilisait un long temps d'exposition sur un appareil photo.

En même temps que les données étaient recueillies au sol, la professeure Daryl Haggard et la candidate au doctorat Hope Boyce de McGill ont également observé le même trou noir de l'espace à l'aide d'installations qui détectent différentes longueurs d'onde de la lumière. Avec leurs collègues, elles ont assemblé des données sur les rayons X provenant, entre autres, de l'observatoire Chandra de la NASA, du télescope spectroscopique nucléaire (NuSTAR) et de l'observatoire Neil Gehrels Swift. « Si la nouvelle image EHT nous montre l'œil d'un ouragan de trou noir, alors ces observations multi-longueurs d'onde révèlent les vents et la pluie équivalents à des centaines, voire des milliers de kilomètres au-delà », a déclaré Daryl Haggard, qui est l'une des principaux scientifiques de la campagne multi-longueurs d'onde.

Comparer deux trous noirs

Cette prouesse de l'EHT fait suite à la publication en 2019 par la collaboration de la première image d'un trou noir, appelé M87*, au centre de la galaxie plus lointaine Messier 87.

Les deux trous noirs se ressemblent remarquablement, même si le trou noir de notre galaxie est plus de mille fois plus petit et moins massif que M87*. Les trous noirs sont les seuls objets que nous connaissons où la masse est proportionnelle à la taille. Un trou noir mille fois plus petit qu'un autre est également mille fois moins massif. "Nous avons deux types de galaxies complètement différents et deux masses de trous noirs très différentes, mais près du bord, ces trous noirs semblent étonnamment similaires", explique Sera Markoff, coprésidente du conseil scientifique de l'EHT et professeur d'astrophysique théorique à l'université d'Amsterdam, aux Pays-Bas. "Cela nous indique que la relativité générale régit ces objets de près, et que toutes les différences que nous voyons plus loin doivent être due à des différences dans la matière qui entoure les trous noirs."

Cette prouesse a été considérablement plus difficile à réaliser que pour M87*, même si Sgr A* est beaucoup plus proche de nous. Le scientifique de l'EHT, Chi-kwan ("CK") Chan, de l'observatoire Steward, du département d'astronomie et de l'institut des sciences des données de l'université d'Arizona (États-Unis), explique : "Le gaz à proximité des trous noirs se déplace à la même vitesse - presque aussi vite que la lumière - autour de Sgr A* et de M87*. Mais alors que le gaz met des jours, voire des semaines, à décrire une orbite autour du grand M87*, il ne met que quelques minutes à le faire autour de Sgr A*, beaucoup plus petit. Cela signifie que la luminosité et la configuration du gaz autour de Sgr A* changeaient rapidement pendant que la collaboration EHT l'observait - un peu comme si l'on essayait de prendre une photo claire d'un chiot qui court après sa queue."

Les chercheurs ont dû mettre au point de nouveaux outils sophistiqués pour tenir compte du mouvement du gaz autour de Sgr A*. Alors que M87* était une cible plus facile et plus stable, avec presque toutes les images se ressemblant, ce n'était pas le cas pour Sgr A*. L'image du trou noir de Sgr A* est une moyenne des différentes images que l'équipe a extraites, révélant enfin pour la première fois le géant qui se cache au centre de notre galaxie.

Cet effort a été rendu possible grâce à l'ingéniosité de plus de 300 chercheurs issus de 80 instituts du monde entier, qui forment ensemble la collaboration EHT. Outre la mise au point d'outils complexes pour relever les défis de l'imagerie de Sgr A*, l'équipe a travaillé rigoureusement pendant cinq ans, utilisant des superordinateurs pour combiner et analyser leurs données, tout en compilant une bibliothèque sans précédent de trous noirs simulés à comparer aux observations.

Les scientifiques sont particulièrement heureux de disposer enfin d'images de deux trous noirs de tailles très différentes, ce qui leur permet de comprendre comment ils se comparent et contrastent. Ils ont également commencé à utiliser ces nouvelles données pour tester des théories et des modèles sur le comportement du gaz autour des trous noirs supermassifs. Ce processus n'est pas encore totalement compris, mais on pense qu'il joue un rôle clé dans la formation et l'évolution des galaxies.

"Nous pouvons maintenant étudier les différences entre ces deux trous noirs supermassifs pour obtenir de nouveaux indices précieux sur le fonctionnement de cet important processus", a expliqué Keiichi Asada, scientifique de l'EHT, de l'Institut d'astronomie et d'astrophysique, Academia Sinica, Taipei. "Nous disposons d'images de deux trous noirs - l'un parmi les plus grand l’autre parmi les plus petits trous noirs supermassifs de l'Univers - ce qui nous permet d'aller beaucoup plus loin que jamais dans la vérification du comportement de la gravité dans ces environnements extrêmes."

Les progrès de l'EHT se poursuivent : une importante campagne d'observation en mars 2022 a mobilisé encore plus de télescopes que jamais auparavant. L'expansion continue du réseau EHT et les importantes mises à niveau technologiques permettront aux scientifiques de partager des images encore plus impressionnantes ainsi que des films de trous noirs dans un avenir proche.

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Event Horizon Telescope (EHT)

Le consortium EHT est composé de 13 instituts ; l’Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, l’University of Arizona, le Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, l’University of Chicago, l’East Asian Observatory, le Goethe-Universitaet Frankfurt, l’Institut de Radioastronomie Millimétrique, le Large Millimeter Telescope, le Max Planck Institute for Radio Astronomy, le MIT Haystack Observatory, le National Astronomical Observatory of Japan, le Perimeter Institute for Theoretical Physics, et la Radboud University.

L’Université McGill

Fondée en 1821, à Montréal, au Québec, l’Université McGill figure au premier rang des universités canadiennes offrant des programmes de médecine et de doctorat et se classe parmi les meilleures universités au Canada et dans le monde. Institution d’enseignement supérieur de renommée mondiale, l’Université McGill exerce ses activités de recherche dans trois campus, 11 facultés et 13 écoles professionnelles; elle compte 300 programmes d’études et au-delà de 39 000 étudiants, dont plus de 10 400 aux cycles supérieurs. Elle accueille des étudiants originaires de plus de 150 pays, ses 12 000 étudiants internationaux représentant 30 % de sa population étudiante. Au-delà de la moitié des étudiants de l’Université McGill ont une langue maternelle autre que l’anglais, et environ 20 % sont francophones.

Résultats de la recherche

Principaux articles

• First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way (DOI: 10.3847/2041-8213/ac6674)
• First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. II. EHT and Multi-wavelength Observations, Data Processing, and Calibration (DOI: 10.3847/2041-8213/ac6675)
• First Sgr A∗ Event Horizon Telescope Results. III. Imaging of the Galactic Center Supermassive Black Hole (DOI: 10.3847/2041-8213/ac6429)
• First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. IV. Variability, Morphology, and Black Hole Mass (DOI: 10.3847/2041-8213/ac6736)
• First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. V. Testing Astrophysical Models of the Galactic Center Black Hole (DOI: 10.3847/2041-8213/ac6672)
• First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results VI: Testing the Black Hole Metric (DOI: 10.3847/2041-8213/ac6756)

Articles supplémentaires

• Selective Dynamical Imaging of Interferometric Data (DOI: 10.3847/2041-8213/ac6615)
• Millimeter Light Curves of Sagittarius A* Observed during the 2017 Event Horizon Telescope Campaign (DOI: 10.3847/2041-8213/ac6428)
• A Universal Power Law Prescription for Variability from Synthetic Images of Black Hole Accretion Flows (DOI: 10.3847/2041-8213/ac65eb)
• Characterizing and Mitigating Intraday Variability: Reconstructing Source Structure in Accreting Black Holes with mm-VLBI (DOI: 10.3847/2041-8213/ac6584)

Notes

Les télescopes impliqués dans l'EHT en avril 2017, date à laquelle les observations ont été effectuées, sont les suivants : l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), l’Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), the IRAM 30-meter Telescope, le James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), le Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), le Submillimeter Array (SMA), le UArizona Submillimeter Telescope (SMT), le South Pole Telescope (SPT). Depuis lors, l'EHT a ajouté le Greenland Telescope (GLT), le NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) et le UArizona 12-meter Telescope on Kitt Peak à son réseau.

ALMA est un partenariat entre l'Observatoire européen austral (ESO ; Europe, représentant ses États membres), la National Science Foundation (NSF) des États-Unis et les National Institutes of Natural Sciences (NINS) du Japon, ainsi que National Research Council (Canada), le ministère des Sciences et de la Technologie (MOST ; Taiwan), l'Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan) et le Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI ; République de Corée), en coopération avec la République du Chili. L'Observatoire conjoint ALMA est exploité par l'ESO, l'Associated Universities, Inc./National Radio Astronomy Observatory (AUI/NRAO) et le National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). APEX, une collaboration entre l'Institut Max Planck de radioastronomie (Allemagne), l'Observatoire spatial d'Onsala (Suède) et l'ESO, est exploité par l'ESO. Le 30-meter Telescope est exploité par l'IRAM (les organisations partenaires de l'IRAM sont MPG [Allemagne], CNRS [France] et IGN [Espagne]). Le JCMT est exploité l'East Asian Observatory au nom de l'Observatoire Astronomique National du Japon, de l'ASIAA, du KASI, de l'Institut National de Recherche Astronomique de Thaïlande, du Center for Astronomical Mega-Science et des organisations au Royaume-Uni et au Canada. Le LMT est exploité par l'INAOE et l'UMass, le SMA est exploité par le Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian et l'ASIAA et le UArizona SMT est exploité par l'Université d'Arizona. Le SPT est exploité par l'Université de Chicago avec des instruments EHT spécialisés fournis par l'Université d'Arizona.

The Greenland Telescope (GLT) est exploité par l’ASIAA et le Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO). Le GLT fait parti du projet ALMA-Taiwan, et es ten parti supporté par l’Academia Sinica (AS) et MOST. NOEMA est exploité par l’IRAM et l’UArizona 12-meter telescope at Kitt Peak est exploité par l’University of Arizona.